Расчет конвективной сушильной установки с применением тепловых труб

АННОТАЦИЯ

В статье изложены пути решения энергетических затрат с применением новых методов энергетического подвода, обеспечивающих экономию энергии в процессе сушки, и разработана математическая модель расчета конвективной сушильной установки с применением тепловых труб.

ABSTRACT

The article describes ways to solve energy costs using new methods of energy supply, which provide energy savings during the drying process and a mathematical model for calculating a convective drying plant using heat pipes is developed

Ключевые слова: тепловая труба, тепловой насос, сушка, энергия, метод, переработка, масса, влага, температура, энтальпия, удельное.

Keywords: heat pipe, heat pump, drying, energy, method, processing, mass, moisture, temperature, enthalpy, specific.

Задача повышения энергетической эффективности тепломассообменных установок может быть успешно решена, в частности, путем при­менения тепловых насосов (ТН), тепловых труб (ТТ), позволяющих создавать рациональные схемы использования энергии, утилизировать вторичные энерго­ресурсы, применять нетрадиционные возобновляемые источники энер­гии.

Плодоовощное сырье представляет собой незаменимый источник важнейших физиологически активных веществ – витаминов, углеводов и минеральных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека. Вместе с тем в условиях жаркого летнего периода массового созревания и уборки многие виды плодов и овощей могут сохраняться недолго. Длительное их хранение возможно только после сушки.

Для этого необходимо разработать высокоэффективный способ обработки, основанный на применении новых методов энергетического подвода, обеспечивающих экономию энергии в процессе сушки и повышение качества продукта. Это могут быть тепломассообменные установки с применением ТТ одноцелевого и комплексного назначения, особенностью которых является максимальная утилизация вторичных энергоресурсов, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, применение ТТ для предварительного нагревания продукта. Для этого нужно разработать математическую модель расчета конвективной сушильной установки с прменением ТТ [2; 7; 9; 10].

Cперва нужно рассчитать материальный баланс. Для определения количества влаги, удаляемой из материала в процессе сушки, составляют материальный баланс:

                                                                                  (1)

где   – масса влажного и высушенного материала, кг;

– влага, удаленная из материала в процессе сушки, кг/с.

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, количество которого не меняется в процессе сушки:

                                                                       (2)

где   и  – содержание влаги во влажном и высушенном материалах.

Решая уравнения (1) и (2), определяют количество испаренной влаги и высушенного материала

:                                                                           (3)

                                                                  (4)

                                                                         (5)

Из уравнения материального баланса влаги можно определить удельный расход воздуха на испарение 1 кг влаги из материала. При установившемся процессе сушки количество влаги, внесенной в сушилку с материалом и воздухом, должно быть равно количеству влаги, унесенному из сушилки. Уравнение баланса влаги имеет вид:

                                                             (6)

где  – расход сухого воздуха, кг/с;  – влагосодержание воздуха на входе и выходе из сушилки.

Из уравнения (6) определим расход сухого воздуха:

                                                                              (7)

Удельный расход воздуха на 1 кг влаги:

   или                                                                 (8)

Влагосодержание воздуха  и  определяется по I-d диаграмме Рамзина.

Для расчета сушилки необходимо знать параметры атмосферного воздуха: температуру  и влажность ; температуру воздуха на входе в сушилку  и один из параметров воздуха на выходе из сушилки:  или .

По заданным параметрам и  находим на их пересечении точку А и определяем соответствующие ей значения влагосодержания и энтальпии . В калорифере процесс нагревания воздуха проходит при постоянном влагосодержании . Проведя через точку А вертикальную линию постоянных влагосодержаний до пересечения с линией температуры , получим точку В и определим соответствующее ей значение . Линия АВ характеризует процесс нагревания воздуха в калорифере.

В действительной сушилке из-за потерь тепла и изменения энтальпии воздуха в процессе сушки определяется величиной и знаком поправки к расчету действительной сушилки:

Коэффициент поправки определяется следующим формулой.

                                                                                  (9)

или

                                                                                 (10)

Если   то 

Если   то 

Если   то 

Рисунок 1. I-d-диаграмма

Построение процесса сушки в I-d-диаграмме для действительной сушилки проводится в следующем порядке:

1. На линии берем произвольную точку и через нее проводим линию до пересечения с линией точки.

2. На полученной линии откладываем в миллиметрах отрезок, где m=1000 – отношение масштабов осей диаграммы.

3. Точку В в соединяем с точкой А, продолжая ее до пересечения с заданной линией температуры или влажности, получаем конечную точку процесса [1; 3; 4-6; 8; 10].

Тепловой баланс конвективной сушилки имеет вид:

Тепло, поступающее в сушилку с воздухом, Вт:

                                                                                   (11)

где  – энтальпия воздуха на входе в калорифер, определяется по I-d- диаграмме.

Тепло, поступающее в сушилку с материалом, Вт:

                                                                            (12)

где  – удельная теплоемкость продукта, Дж.кг К; = 15-20^оС – начальная температура материала

Тепло, поступающее с испаряемой влагой материала, Вт:

                                                                          (13)

где  – удельная теплоемкость влаги, Дж.(кг К);  – температура испарения влаги, ^оС.

Тепло транспортных устройств, Вт (определяется для конвейерных сушилок):

                                                                           (14)

где   – масса транспортных устройств, кг;  – удельная теплоемкость транспортных устройств, Дж.кг К;  =15-20^оС – температура транспортных устройств на входе в сушильную установку.

 – тепло, сообщенное воздуху в калорифере, Вт;

 – дополнительно подведенное тепло, Вт.

Значения  и  определяются по равности между приходной и расходной частями теплового баланса.

Тепло, унесенное сушильным агентом, Вт:

                                                                                 (15)

где   –  энтальпия воздуха на выходе из сушилки (определяется по I-d- диаграмме).

Тепло, унесенное из сушилки парами влаги, испарившейся из материала, Вт:  

                                                                                 (16)

где  – энтальпия пара, Дж/кг.

Тепло, ушедшее с высушенным материалом, Вт:

                                                                           (17)

где – производительность сушилки по высушенному материалу, кг/с;

 – теплоемкость сухого материала, Дж/кг К, ^оC

Тепло, унесенное транспортными устройствами, Вт:

                                                                           (18)

 – температура транспортных устройств на выходе из сушилки.

Тепловые потери, Вт:

                                                                           (19)

Из уравнения теплового баланса определим количество подводимого тепла:

                                                            (20)

Действительный удельный расход тепла на 1 кг испаренной влаги:

                                                                   (21)

Расход тепла в калорифере, Вт:

                                                                           (22)

где  и   – энтальпии воздуха на входе в калорифер и на выходе из него (определяются по I-d-диаграмме).

Для определения конструктивных размеров сушилок нужно учитывать и знать некоторые параметры. Габаритные размеры сушильной камеры (длина, диаметр) зависят от заданной производительности сушилки и продолжительности процесса сушки. С целью увеличения производительности сушилки, обеспечения равномерности сушки и экономичности установки нужно максимально заполнить объем камеры материалом. При сушке дисперсных материалов должно быть обеспечено обмывание частиц материала воздухом, что определяет степень загрузки сушильной камеры.

Для сушки кусковых (штучных) пищевых продуктов применяют туннельные и камерные сушилки. Камерные сушилки периодического действия бывают шкафного типа и со стационарными вагонетками.

Более совершенными являются установки туннельного типа (конвейерные, ленточные, вагонеточные), которые работают как цикличные или непрерывно действующие аппараты.

Особенностью расчета указанных установок является методика определения габаритных размеров сушильной камеры.

Для расчета туннельной сушилки с вагонетками нужно рассчитать следующие параметры.

Вместимость одного туннеля по высушенному материалу (кг):

                                                                                  (23)

где – производительность сушилки по высушенному материалу, кг/ч; – продолжительность сушки, ч;  – количество туннелей (обычно кратно двум).

Число вагонеток, одновременно находящихся в туннеле:

                                                                    (24)

– масса вагонетки, кг.

Полученную по расчету величину  округляют до целого числа вагонеток. Размеры туннеля определяются габаритами вагонеток и числом вагонеток, находящихся в туннеле.

                                                                         (25)

 – длина вагонетки, м

Величина  определяется по конструктивным соображениям в зависимости от вместимости туннеля и способа подачи воздуха.

Ширина туннеля:

 – ширина вагонетки, м.

Выводы.

Успешно решена задача расчета повышения энергетической эффективности тепломассообменных установок путем применения ТТ, это доказано в работе путем применения математической модели в процессе конвективной сушки, позволяющей утилизировать вторичные энерго­ресурсы, применять нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Математическая модель позволит разработать тепломассообменные установки с применением ТТ одноцелевого и комплексного назначения, особенностью которых является максимальная утилизация вторичных энергоресурсов, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, применение ТТ для предварительного нагревания продукта. Кроме того, ТТ создает возможность осуществлять в одной и той же тепломассообменной установке нагревание и охлаждение различных технологических потоков, что особенно важно для современных фермерских хозяйств, которые являются потребителями большого количества тепла при переработке сырья.

Для широкого внедрения этих установок обоснована целесо­образность их использования, что позволит провести научную разработку энергосберегающих установок при переработке некоторых пищевых и сельскохозяйственных продуктов, методы расчета и проектирования установок.

Список литературы:
1. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. – М.: Агропромиздат, 1985. – 336 с.
2. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы / Пер. с англ. – М.: Энергия, 1979. – 272 с., ил.
3. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1991. – 432 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973. – 754 с.
5. Кувшинский М.Н., Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности». – М.: Высшая школа, 1980. – 223 с.
6. Процессы и аппараты пищевых производств / В.Н. Стабников, В.Д. Попов, Ф.А. Редько и др. – М.: Пищевая промышленность, 1976. – 663 с.
7. Саламатов Ю.П. Идеализация технических систем [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.trizminsk.org/e/21102100.htm (дата обращения: 22.05.2013).
8. Хикматов Д.Н. Совершенствование процесса комбинированной сушки абрикоса: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. – Ташкент, 2011. – 118 с.
9. Чи С. Тепловые трубы: Теория и практика / Пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1981. – 207 с.
10. Энергоресурсосберегающие технологии при переработке плодов и овощей / А.Ф. Сафаров, К.Х. Гафуров, Д.Н. Хикматов, А.А. Холиков. – Бухара: Дурдона, 2013. – 248 с.