Проект лесосушильного цеха

 

 

4.3 Определение расхода теплоты  на сушку

 

4.3.1 Расход теплоты на  начальный прогрев

Для зимних условий удельный расход теплоты на начальный прогрев 1м³ пиломатериалов складывается из её затрат на нагревание замороженной древесины от начальной отрицательной температуры до 0⁰C, плавление содержащегося в древесине льда и нагревание древесины до температуры начального прогрева.   Расход теплоты на начальный прогрев для среднегодовых условий учитывает только затраты теплоты на нагревание древесины от начальной положительной температуры до температуры прогрева. Расчёт расхода теплоты на начальный прогрев пиломатериалов будем выполнять по формулам  (4.9) и (4.10) [3, с.22]:

а) для зимних условий:

 

 кДж/м³,  (4.18)

 

   б) для среднегодовых  условий:

 

кДж/м³,     (4.19)

 

где ρ_Д – плотность древесины расчётного материала, кг/м³;

ρ_Б – базисная плотность древесины расчётного материала, кг/м³;

c_(-), c₍₊₎ – удельная теплоёмкость древесины при средней отрицательной и средней положительной температуре, кДж/( кг· ⁰C);

c_Д – удельная теплоёмкость древесины в диапазоне температур от t₀ до t_НП, кДж/( кг· ⁰C);

W_сж – содержание воды, оставшейся в замороженной древесине в жидком состоянии, %;

γ – скрытая теплота плавления льда, γ = 335 кДж/кг;

t₀ –  начальная температура древесины, ⁰C;

t_НП – температура начального прогрева, ⁰C.

Плотность древесины при начальной влажности W_Н определяем по формуле 2.18 [2,с.68]:

 

 кг/м³,      (4.20)

 

где ρ_Б– базисная плотность древесины, кг/м³;

W – влажность древесины, %.

Для данного расчётного материала ρ_Б= 520 кг/м³, влажность W=60%.

 

 кг/м³.

 

 Начальную температуру  замороженной древесины при   выполнении расчётов для зимних  условий принимаем t₀ = -20⁰C. Значение начальной температуры для среднегодовых условий принимаем по приложению 5 [3] в зависимости от региона, в котором планируется строительство цеха. Данный цех планируется строить в Минской области, поэтому начальную температуру для среднегодовых условий принимаем  t₀ =5,5⁰C. Температура начального прогрева была определена в подразделе 2.2 (табл.2.4) t_нп = 87⁰C. Значения удельной теплоёмкости c_(-), c₍₊₎ и c_Д определяем по диаграмме на рис. 2.3 [2, с.73]. При этом среднее значение температуры древесины  рассчитываем по формулам: при определении  c_(-) – t = t₀ /2 = -20/2 = -10⁰C; при определении c₍₊₎ –  t = t_НП /2 = 87/2 = 43,5⁰C; при определении c_Д t = (t₀+ t_НП) /2 = (5,5 + 87)/2 = 46,25⁰C. Тогда из диаграммы получаем: c_(-) = 218 кДж/( кг· ⁰C);    c₍₊₎ =2,87 кДж/( кг· ⁰C);    c_Д = 2,9 кДж/( кг· ⁰C);

По табл. 5 приложения  [2, с.214] для  t₀ = -20⁰C определяем содержание воды, оставшейся в замороженной древесине в жидком состоянии W_СЖ = 18 %.

Рассчитываем расход теплоты на начальный прогрев 1м³ пиломатериалов:

• для зимних условий:

 

 кДж/м³,

 

• для среднегодовых условий:

 

 кДж/м³.

 

Удельный расход теплоты при начальном прогреве, отнесённый к 1кг испаряемой влаги, для зимних и среднегодовых условий рассчитываем по формуле (4.11) [3, с.23]:

 

    (4.21)

 

Секундный расход теплоты  на начальный прогрев определяем для зимних условий по формуле (4.12) [3, с.23]:

 

 кВт,   (4.22)

 

 кВт.

 

4.3.2 Расход  теплоты на испарение влаги. Удельный расход теплоты на испарение 1кг влаги рассчитываем для зимних и среднегодовых условий, используя формулу:

 

 кДж/кг,    (4.23)

 

где I₀, d₀ – энтальпия и влагосодержание свежего воздуха, поступающего в сушильную камеру во время сушки, кДж/кг, г/кг;

c^’ – удельная теплоёмкость воды, кДж/(кг·⁰C);

t_м – температура смоченного термометра психрометра для режима сушки расчётного материала, ⁰C.

Значения энтальпии  и влагосодержания воздуха, поступающего в сушильную камеру, зависят от принятого места их расположения, а также от сезона. В данном случае камеры устанавливаются вне помещения. Стойка ведется в Минской области. Значения энтальпии и влагосодержания принимаем по приложению 5 [3]:

– для зимних условий I₀  = - 5,8 кДж/кг, d₀ = 2,4 г/кг;

– для среднегодовых  условий I₀  = 5,5 кДж/кг, d₀ =  4,5 г/кг.

Удельную теплоёмкость воды принимаем c^’  = 4,19 кДж/(кг·⁰C). Температуру смоченного термометра психрометра определяем, используя табл. 2.2., по формуле:

 

t_м = t_c – ∆t = 87 – 8 = 79 ⁰C.      (4.24)

 

 кДж/кг,

 

 кДж/кг.

 

Расход теплоты на испарение влаги из 1м³ расчётного материала определяем для зимних и среднегодовых условий по формуле:

 

q_исм^’сг  = q ^сг_исп · D₁ = 2489,39 · 228,8 = 569572,432 кДж/м³ ,   (4.25)

 

q_исм^’з  = q ^з_исп · D₁ = 2499,83 · 228,8 = 571961,104 кДж/м³.   (4.26)

 

Расход теплоты в  единицу времени на испарение влаги также рассчитываем для зимних и среднегодовых условий. При этом используем формулу:

 

Q ^з_исп   = q ^з_исп  · D_р = 2499,83 · 0,132 = 329,98 кВт.    (4.27)

 

Q ^сг_исп = q ^сг_исп  · D_р = 2489,39 · 0,132 = 328,60 кВт.    (4.28)

 

4.3.3 Тепловые потери через ограждения. Тепловые потери через ограждения сушилки в единицу времени определяем, используя равенство:

 

Q_огр = ∑F_i · K_Тi  · (t_c – t₀) · 10^-3 кВт,     (4.29)

 

где F_i – площадь ограждений определённого вида, м² ;

K_Тi – коэффициент теплопередачи соответствующего вида ограждений, Вт/(м²·⁰C);

t_c – температура среды в камере, ⁰C;

t₀ – расчётная температура наружного по отношению к камере воздуха, ⁰C.

Коэффициент теплопередачи  всех видов ограждений будем определять по формуле (4.17):

 

Вт/( м²·⁰C),    (4.30)

 

где α_в, α_н – коэффициенты теплообмена внутренних и наружных поверхностей ограждений, Вт/(м²·⁰C);

δ₁, δ₂… δ_n – толщина отдельных слоёв ограждений, м;

λ₁, λ₂… λ_n – коэффициенты теплопроводности материалов соответствующих слоёв ограждений, Вт/(м·⁰C).

 Для выполнения расчёта  необходимо знать коэффициент  теплопроводности всех материалов, из которых сделаны ограждения, а также толщину отдельных  слоёв ограждений. Значения коэффициента  теплопроводности определяем по приложению 7 [3], толщину слоёв принимаем по рис. 4.2 [3 (в, г, е) ]. Полученные сведения сводим в табл. 4.2.

 

Таблица 4.2

Расчёт коэффициента теплопередачи

 

Вид ограждений	Материал	Толщина слоя, мм	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·0C)	Коэффициент теплообмена, Вт/(м2·0C)
				внутренней поверхности	наружной поверхности
Боковая стена	Вата минеральная   Алюминий	150   2 х1 ,5	0,07   240	25	23
Торцовые стены	Вата минеральная   Алюминий	150   2 х1 ,5	0,07   240	25	23
Перекрытие	Вата минеральная   Алюминий	150   2 х1 ,5	0,07   240	25	23
Дверь	Вата минеральная Алюминий Листовой асбест	100 1,5 х 2 5 х 2	0,07 240 0,35	25	23

 

 

Коэффициент теплообмена  внутренних поверхностей ограждений принимаем  равным α_в = 25 Вт/(м²·⁰C). Коэффициент теплообмена наружных поверхностей принимаем для перекрытия α_н  = 12 Вт/(м²·⁰C), боковой стены α_н  = 23 Вт/(м²·⁰C), для торцовых стен и дверей - α_н  = 12 Вт/(м²·⁰C). Значения коэффициента теплообмена также сводим в табл. 4.2.

Рассчитываем коэффициент  теплопередачи для всех видов  ограждений:

– боковая стена:

 

 Вт/( м·⁰C),

 

– торцовые стены:

 

 Вт/( м·⁰C),

– перекрытие:

 

 Вт/( м·⁰C),

 

– дверь:

 

 Вт/( м·⁰C).

 

Коэффициент теплопередачи  пола принимаем равным половине коэффициента теплопередачи боковой стены, т.е.:

 

K_т5 = 0,5 · K_т1 = 0,5 · 0,45 = 0,225 Вт/( м²·⁰C).     (4.31)

 

Расчёты показывают, что  значения коэффициента теплопередачи  всех видов ограждений не превышают 0,7 Вт/( м²·⁰C). Следовательно, камера в дополнительном утеплении не нуждается.

Температуру среды в  камере принимаем равной средней  температуре агента сушки на входе и выходе из штабеля t_с  = 83,5⁰C.

Расчётную температуру  наружного воздуха по отношению  к камере, установленной в неотапливаемых помещениях, принимаем по приложению 5 [3]: для зимних условий    t₀ = - 20 ⁰C , для среднегодовых – t₀ = 5,5⁰C. При расчёте теплопотерь через пол наружную температуру принимают для зимних условий   t₀ = 2 ⁰C, для среднегодовых - t₀ = 10 ⁰C.

Площадь ограждений сушильной  камеры ЛС2-2 принимаем по приложению 6 [3]. Всю информацию, необходимую  для расчёта тепловых потерь, обобщаем в табл. 4.3.

 

Таблица 4.3

Тепловые  потери через ограждения камеры

 

Наименование ограждений	Площадь, м2	Коэффициент теплопередачи, Вт/( м·0C)	Температура, 0C		Теплопотери, кВт
			средняя в камере	наружная	Qогр.i	Qогр.
Зимние условия
Боковая стена	46,2	0,450	83,5	-20	2,15	10,69
Торцовая стена со стороны  дверей	10,2	0,450	83,5	-20	0,48
Торцовая стена	25,4	0,450	83,5	-20	1,18
Дверь	15,3	0,650	83,5	-20	1,03
Перекрытие	95,3	0,450	83,5	-20	4,44
Пол	76,8	0,225	83,5	2	1,41
Среднегодовые условия
Боковая стена	46,2	0,450	83,5	5,5	1,62	8,26
Торцовая стена со стороны  дверей	10,2	0,450	83,5	5,5	0,36
Торцовая стена	25,4	0,450	83,5	5,5	0,89
Дверь	15,3	0,650	83,5	5,5	0,78
Перекрытие	95,3	0,450	83,5	5,5	3,35
Пол	76,8	0,225	83,5	10	1,27

 

 

 

Рассчитываем величину теплопотерь  через все виды ограждений:

– боковая стена:

 

Q^з_огр1 = 46,2 · 0,45 · (83,5 + 20) · 10^-3  = 2,15 кВт,

 

Q ^сг_огр1 = 46, 2 · 0,45 · (83,5 – 5,5) · 10^-3  = 1,62 кВт,

 

– торцовая стена со стороны  дверей:

 

Q^з_огр2 = 10,2 · 0,45 · (83,5 + 20) · 10^-3  = 0,48 кВт,

 

Q ^сг_огр2 = 10,2 · 0,45 · (83,5 – 5,5) · 10^-3  = 0,36 кВт,

 

– торцовая стена:

 

Q^з_огр3 = 25,4 · 0,45 · (83,5 + 20) · 10^-3  = 1,18 кВт,

 

Q ^сг_огр3 = 25,4 · 0,45 · (83,5 – 5,5) · 10^-3  = 0,89 кВт,

 

– дверь:

 

Q^з_огр3 = 15,3 · 0,65 · (83,5 + 20) · 10^-3  = 1,03 кВт,

 

Q ^сг_огр3 = 15,3 · 0,65 · (83,5 – 5,5) · 10^-3  = 0,78 кВт,

 

– перекрытие:

 

Q^з_огр4 = 95,3 · 0,45 · (83,5 + 20) · 10^-3  = 4,44 кВт,

 

Q ^сг_огр4 = 95,3 · 0,45 · (83,5 – 5,5) · 10^-3  = 3,35 кВт,

 

– пол:

 

Q^з_огр5 = 76,8 · 0,225 · (83,5 –2) · 10^-3  = 1,41 кВт,

 

Q ^сг_огр5 = 76,8 · 0,225 · (83,5 – 10) · 10^-3  = 1,27 кВт.

 

Суммарные тепловые потери через ограждения сушилки составят:

– для зимних условий:

 

Q^з_огр = ∑ Q^з_{огр i} = 2,15+0,48+1,18+1,03+4,44+1,41=10,69 кВт,   (4.32)

 

– для среднегодовых условий:

 

Q^сг_огр = ∑ Q^сг_{огр i} = 1,62+0,36+0,89+0,78+3,35+1,27=8,26 кВт.   (4.33)

 

Результаты расчётов сводим в табл. 4.3.

Удельный расход теплоты  на потери через ограждения в пересчёте на 1кг испаряемой влаги определяем для зимних и среднегодовых условий по формуле (4.19) [3, с.27]:

 

кДж/кг,       (4.34)

 

 кДж/кг,

 

 кДж/кг.

 

В пересчёте на 1м³ расчётных пиломатериалов тепловые потери через ограждения составляют:

 

q_огр^’  = q_огр·D₁ кДж/м³,      (4.35)

 

q_огр^’з  =

· 228,8 = 30573,4 кДж/м³,

 

q_огр^’сг  = 103,25 · 228,8 = 23623,6 кДж/м³.

 

4.3.4. Суммарный  расход теплоты. Определение суммарного удельного расхода теплоты на сушку также производим для зимних и среднегодовых условий. При этом используем формулу (4.21) [3, с.28]:

 

q_суш  = (q_пр  + q_исп  + q_огр) · C₁, кДж/кг,     (4.36)