Программа и методические указания

Влажный воздух

Основные понятия влажного воздуха. I-d-диаграмма влажного воздуха. Применение воздуха в качестве теплоносителя.

Вопросы для самопроверки:

1. Что называется влажным воздухом⁰

2. Что такое температура точки росы?

3. Понятие абсолютной и относительной влажности.

4. Что называется влагосодержанием воздуха⁹

5. Теплоемкость влажного воздуха.

6. Энтальпия влажного воздуха.

7. I-d-диаграмма влажного воздуха.

Основы теплопередачи

Основные понятия и определения. Теплопроводность. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости или газа. Лучистый теплообмен.

Вопросы для самопроверки:

1. Неустановившийся и установившийся тепловые режимы.

2. Физическая сущность и механизм теплопроводности, конвективной теплоотдачи, лучистого теплообмена.

3. Уравнение Фурье и Ньютона-Рихмана, их анализ.

4. Сущность теории подобия

5. Коэффициент теплоотдачи; факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи.

6. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой

7. Сложный теплообмен.

Энергетическое топливо

Состав и основные характеристики топлив. Теплота сгорания топлив. Условное топливо. Приведенные характеристики. Классификация топлив.

Вопросы для самопроверки:

1. Состав и основные характеристики твердого топлива.

2. Состав и основные характеристики жидкого топлива.

3. Состав и основные характеристики газообразного топлива.

4. Теплота сгорания топлива.

5. Условное топливо. Приведенные характеристики.

6. Классификация топлив.

7. Количество воздуха, необходимого для горения.

8. Энтальпия продуктов сгорания.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РГР

для специальности 260201 «Технология хранения и переработки зерна»

Параметры агента сушки на входе в зерносушилку

Для заданного вида топлива по [5] необходимо определить его состав, а также теплоту сгорания.

Значение температуры t₁ сушильного агента выбирается в зависимости от вида культуры по табл. 1 приложения.

Масса теоретически необходимого количества сухого воздуха (кг/кг) при полном сгорании 1 кг или 1 м³ рассчитывается по формулам [6]:

- для твердого или жидкого топлива

- для газообразного топлива

где - массовые доли веществ, входящего в состав рабочего топлива, %.

Энтальпия атмосферного воздуха J₀, кДж/кг, поступающего в топку, определяется по J-d -диаграмме влажного воздуха (рис. 1 Приложения) по известным значениям t₀ и φ₀ или рассчитывается по формуле:

где с_св – удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг·К), принимается равной с_св = 1,005 кДж/(кг·К).

Влагосодержание наружного воздуха d₀, г/кг сухого воздуха, определяется по J-d -диаграмме при известных значениях t₀ и φ₀.

Энтальпия водяного пара при температуре агента сушки, поступающего в сушилку, кДж/кг:

i_n =2500 + 1.88· t₁

Коэффициент избытка воздуха, который должен обеспечить требуемое значение температуры агента сушки t₁, рассчитывается по формулам:

- для твердого и жидкого топлива

где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; η_T - коэффициент полезного действия топки. Для топок, работающих на твердом топливе η_T =0.85...0.9; на жидком или газообразном топливе η_T =0.9...0.95; с_Т и t_T – соответственно удельная теплоемкость (кДж/(кг·К)) и температура (°С) топлива. Температура топлива t_T принимается равной температуре наружного воздуха t₀; с_ас - удельная теплоемкость агента сушки, кДж/(кг·К). Можно принять с_ас =с_св;

- для газообразного топлива

Удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг·К):

где с_СТ - удельная теплоемкость сухой массы твердого топлива; с_СТ = 1.048 кДж/(кг·К); с_вд - удельная теплоемкость воды (влаги); с_вд = 4.19 кДж/(кг·К).

Учитывая значения с_СТ и с_вд получим расчетную формулу для с_Т:

Влагосодержание агента сушки d₁, г/кг сухого вещества, при сжигании:

- твердого или жидкого топлива

- газообразного топлива

Энтальпия агента сушки J₁, (кДж/кг) определяется по J-d- диаграмме при t₁ и d₁.

Количество испаренной влаги

На основании данных задания определяются начальное u₁ и конечное и₂ влагосодержания материала, кг влаги/кг сухого вещества:

где ω₁ и ω₂ начальная и конечная влажность зерна, %.

Производительность установки по исходному материалу (кг/ч) рассчитывается по формуле:

Массовое количество испаренной влаги, кг/ч:

Определение расчетных параметров

Расход сухого агента сушки L (кг/ч) в сушильной камере определяется из уравнения баланса массы влаги:

где - влага, вносимая в сушильную камеру с поступающим зерном, кг/ч;

- влага, уносимая из сушильной камеры с просушенным зерном, кг/ч;

- влага, поступающая с агентом сушки, кг/ч; - влага, уносимая с агентом сушки, кг/ч.

Так как

Влагосодержание отработавшего агента сушки на выходе из сушильной камеры:

Температура сушильного агента на выходе из сушильной камеры, °С:

где θ₁ - температура зерна на входе в сушилку, °С; θ₁ = t₀; θ₂ - температура зерна на выходе из сушильной камеры, °С. Принимается равной предельной температуре нагрева зерна (см. табл. 1 приложения).

Разность между поступившей теплотой и потерями в сушильной камере, кДж/кг:

где с_w - удельная теплоемкость влаги зерна, кДж/(кгК). Можно принять с_w = с_вл; q_из - удельный расход теплоты на нагрев зерна, кДж/кг испаренной влаги; q₀ - удельные потери теплоты в окружающую среду через ограждения сушильной зоны, кДж/кг испаренной влаги.

Удельный расход теплоты на испарение 1 кг влаги:

Удельная теплоемкость просушенного зерна, кДж/(кг·К):

где с_с - 1.55 кДж(кг·К) - удельная теплоемкость сухого зерна.

Удельные потери теплоты в окружающую среду:

где k₀ - коэффициент теплопередачи участка ограждения сушильной камеры, Вт/(м²К); A₀ - площадь поверхности участка, м²; t_ср - средняя температура агента сушки в сушильной камере, °С. Можно принять t_cp равной среднеарифметическому значению температур агента сушки на входе в сушильную камеру и на выходе из нее:

t_ср = (t₁+t₂)/2

Значения A₀ каждого участка сушильной камеры определяются по конструктивным характеристикам шахтных прямоточных зерносушилок (табл. 3 приложения). При определении значения для шахтных прямоточных сушилок в расчет не принимают поверхность стен со стороны подвода агента сушки и отвода отработавших газов, а также верхнего перекрытия напорной камеры зоны сушилки.

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К):

где а₁, а₂ - соответственно коэффициенты теплоотдачи от агента сушки к внутренней поверхности шахты и от наружной поверхности шахты в окружающую среду, Вт/(м²К); δ_из, δ_ст соответственно толщина слоя изоляционного материала и стены шахты, м. Можно принять δ_из = 0.1 м, δ_ст =0.15 м; λ_из, λ_ст - соответственно коэффициенты теплопроводности изоляции и стены. Принимаются равными λ_из =0.031 Вт/(м·К), λ_ст =1.54 Вт/(м·К).

Коэффициенты теплоотдачи а₁, а₂ зависят от скорости воздушного потока:

при v < 5 м/с

а₁, а₂ = С + D ·v;

при v > 5 м/с

а₁, а₂ = A ·v ⁰⁷⁸.

Значения коэффициентов A,С и D приведены в табл. 2 приложения.

Скорость агента сушки, омывающего внутреннюю поверхность сушильной камеры, принимается равной его средней скорости в слое зерна, т. е. 0.3...0.4 м/с.

Наружная поверхность сушки омывается воздухом при свободной конвекции. Скорость воздуха можно ориентировочно принять равной 0.1 м/с.

После нахождения d₂ определяется расход воздуха L, а затем расход теплоты в сушилке Q, кДж/ч:

Q = L(J₁-J₀).

Расход топлива и КПД зерносушилки

Расход потребного массового количества топлива, кг/ч:

Расход потребного массового количества топлива (условного), кг/ч:

где - 29330 кДж/кг - низшая теплота сгорания топлива (условного).

Коэффициент полезного действия зерносушилки:

где r - теплота парообразования (кДж/кг) определяется по [9] при

θ_ср=(θ₁+θ₂)/2

или по формуле

r = 2500 + 2.34 θ_ср.

ЗАДАНИЕ К РГР

Наружный воздух с температурой t₀, относительной влажностью φ₀, влагосодержанием d₀ и энтальпией J₀ cсмешивается с продуктами сгорания топлива. Полученный таким образом агент сушки с параметрами t_l,φ_l,d_] и J₁ поступает в сушильную камеру. В камеру поступает М₁ (т/ч) влажного зерна с температурой θ₁ и влажностью ω₁ = 18%. В процессе сушки температура зерна повышается до температуры θ₂, а влажность уменьшается до значения ω₂ = 12 %. Расход зерна снижается от М₁ до М₂. Параметры агента сушки после сушильной камеры имеют значения t₂, φ₂, d₂ и J₂.

Определить расчетом параметры агента сушки на входе и выходе из зерносушилки, количество испаренной в сушильной камере влаги, расход сухого агента сушки, расход теплоты на сушку, расход топлива и КПД зерносушилки. Построить процесс сушки в J-d- диаграмме. Данные для решения задачи выбрать из таблицы.

Данные для решения задачи

Послед- няя цифра шифра	Вид топлива	Предпо- следняя цифра шифра	Тип сушилки	М2 т/ч	t0, °С	φ0. %	Культура
	Донецкий уголь Д		ДСП-50				Пшеница с крепкой клейковиной
	Ставропольский природный газ		ДСП-32				Пшеница со слабой клейковиной
	Мазут молосерный		ДСП-24				Пшеница с хорошей клейковиной
	Артемовский уголь В		ДСП-24сн				Пшеница твердая
	Ухтинский природный газ		ДСП-16				Ячмень пивоваренный
	Мазут высокосерный		ДСП-12				Рожь продовольственная
	Карагандинский уголь К		ЖЗС-12				Семена подсолнечника
	Воркутинский уголь Ж		СЗШ-16				Овес
	Курдюмский природный газ		ВТИ-15				Горох
	Подмосковный уголь Б2		ВТИ-8				Рис-зерно

Приложение Т а б л и ц а 1

Высшие пределы температуры нагрева зерна и агента сушки в шахтных прямоточных зерносушилках
Культура	Предельная температура нагрева зерна, °С	Предельная температура агента сушки, °С
Пшеница с крепкой клейковиной
Пшеница с хорошей клейковиной
Пшеница со слабой клейковиной
Пшеница твердая
Ячмень пивоваренный
Рожь продовольственная
Семена подсолнечника
Овес
Горох
Рис-зерно
Т а б л и ц а 2   Значения коэффициентов А,С и D
Стена	А	С	D
Железобетонная	7.52	6.16	4.19
Стальная со внутренней стороны	7.12	5.58	3.95
Стальная с наружной стороны	7.14	5.81	3.95

Таблица 3

Техническая характеристика прямоточных зерносушилок

Показатель	ДСП-50	ДСП-32	ДСП-24	ДСП-24сн	ДСП-16	ДСП-12	ЖЗС-12	СЗШ-16	ВТИ-15	ВТИ-8
Производительность, т/ч
Число шахт
Ширина шахты, мм
Длина шахты, мм
Высоте сушильной камеры, мм

Рис.1. I-d диаграмма влажного воздуха

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РГР

для специальности 260202 «Технология хлеба, макаронных и кондитерских изделий»

Уравнение теплового баланса пекарной камеры для непрерывно работающей печи имеет следующий вид [7]:

,

где q₁^п.к - теоретический расход теплоты на выпечку 1 кг хлеба (полезная теплота), кДж/кг; q₂^п.к - теплота на перегрев пара, подаваемого для увлажнения среды пекарной камеры и тестовых заготовок, кДж/кг; q₃^п.к - расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха, кДж/кг; q₄^п.к - расход теплоты на нагрев транспортных устройств, кДж/кг; q₅^п.к - потери теплоты в окружающую среду через ограждения пекарной камеры, кДж/кг; q₆^п.к - потери теплоты через нижнюю стенку пекарной камеры, кДж/кг; q₇^п.к - потери теплоты излучением через посадочное окно пекарной камеры в окружающую среду, кДж/кг; q₈^п.к - расход теплоты на аккумуляцию, кДж/кг.

Теоретический расход теплоты на выпечку 1 кг хлеба q₁^п.к

,

где W^’_исп = 8,1 %-упек относительно горячего хлеба (тогда массовая доля влаги, испарившейся на 1 кг хлеба, составит W^’_исп = 0,081 кг на 1 кг горячего хлеба); i_п.п – энтальпия перегретого пара при температуре t^’_п.к и атмосферном давлении р = 100 кПа, i_п.к = 2727 кДж/кг; i_в – энтальпия воды в тесте при температуре теста t_m, °С, i_в = 125 кДж/кг; g_к –содержание корки в 1 кг горячего изделия, g_к = 0,285 кг/кг; с_к –удельная теплоемкость корки, с_к = 1,47 кДж/(кг·К); t_k – средняя температура корки, °С, принимается равной среднеарифметической температур поверхности корки и подкорочного слоя, t_k =120 °С; t_m – температура теста, °С; g_с.м – содержание сухого вещества мякиша в 1 кг хлеба, кг/кг;

,

W_x – содержание влаги в 1 кг хлеба в момент выхода его из пекарной камеры, кг влаги на 1 кг горячего хлеба, W_x = 0,45 кг/кг; с_с.м – удельная теплоемкость сухого вещества мякиша хлеба, с_к = с_с.м = 1,47 кДж/(кг·К); с_в – удельная теплоемкость воды, с_в = 4,187 кДж/(кг·К); t_м – средняя температура мякиша горячего хлеба, t_м = 98°С.

Расчет теплоты на перегрев пара, подаваемого для увлажнения среды пекарной камеры и тестовых заготовок q₂^п.к,

,

где i_н – энтальпия насыщенного пара при давлении перед пароув-лажнительным устройством p₁ = 120 кПа и степени сухости пара х = 0,9, по таблице водяного пара в состоянии насыщения находим i^' = 439 кДж/кг; i_н вычисляем по формуле

,

i_п.п определяем при t'_п.к = 125 кПа и p = 100 кПа, i_п.п = 2727 кДж/кг; D_п – массовая доля насыщенного пара, поступающего в пекарную камеру на 1 кг горячего хлеба, D_п = 0,09 кг/кг.

Расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха q₃^п.к

,

где с_р - массовая удельная теплоемкость воздуха, с_р = 1,005 кДж/кг; d^’_п.к - влагосодержание горячего влажного воздуха в сечении посадочного окна на выходе из пекарной камеры, кг на 1 кг сухого воздуха, при φ^’_п.к = 40 % и t^’_п.к = 125 °С, d^’_п.к = 0,421 кг/кг; d_в - влагосодержание воздуха, при φ_в = 70 % и температуре t_в = 25 °С, d_в = 0,0142 кг на 1 кг сухого воздуха.

Расход теплоты на нагрев транспортных устройств q₄^п.к отсутствует, т. к. конвейер печи не выходит за пределы пекарной камеры. Потеря теплоты будет происходить только при охлаждении форм, выходящих из печи,

,

где g_м.ф - масса металла форм, приходящаяся на 1 кг хлеба, g_м.ф = 0,61 кг/кг; см - удельная теплоемкость стали, с_м = 0,462 кДж/(кг·К); t^”_ф - температура формы при выходе из печи, t^”_ф =166 °С; t^’_ф - температура формы при входе в пекарную камеру, t^’_ф = 30 °С.

Потери теплоты ограждениями пекарной камеры q₅^п.к

,

где G_x - производительность печи, кг/ч; Q_о.с - потеря теплоты ограждениями пекарной камеры в окружающую среду, Вт,

,

где C₀ = 5,67 Вт/(м²·К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к, Вт/(м²·К), от поверхности стенок пекарной камеры в окружающую среду

Nu = C (Gr^. Рr)ⁿ.

При теплоотдаче от вертикальных стенок в качестве определяющего размера принимается высота h₁ боковых стенок (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная схема печи

Температура среды t_в является определяющей. Средняя температура поверхности ограждений t_п = 40 °С. Средняя температура стен помещения t_ст принимается равной температуре воздуха в помещении t_в.

При t_в для воздуха находим следующие теплофизические характеристики: кинематическую вязкость ν = 15,5^.10^-6, м²/с; коэффициент теплопроводности λ₁ = 2,8^.10^-2, Вт/(м·К); число Прандтля Рr = 0,7.

Коэффициент объемного расширения воздуха

Число Грасгофа

Gr ,

где .

Вычислим произведение Gr ^. Pr.

При G r ∙Pr > 10⁹ (турбулентный режим)

Nu = 0,15(Gr ^. Pr)^0,33.

Отсюда коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к, Вт/(м²·К),

a_к = Nu .

Для горизонтальной поверхности ограждения печи

.

Площадь вертикальных поверхностей ограждения, м², составляет (см. рис. 1): h₁ = 2,7 м; h₂ = 1,8 м; l₁ = 7,76 м; l₂ = 5,26 м; l₃ = 2,5 м; b₁ = 3,05 м,

,

где F₁ - площадь переднего вертикального ограждения пекарной камеры, м²,

,

F₂ – площадь заднего вертикального ограждения пекарной камеры, м²,

,

F₃ – площадь вертикального ограждения боковой стенки пекарной камеры, м²,

.

Площадь верхнего горизонтального ограждения пекарной камеры, м²,

.

Потеря теплоты пекарной камеры вертикальными поверхностями, Вт,

,

где ε_n = 0,9 – коэффициент теплового излучения наружной поверхности стенки.

Потеря теплоты пекарной камеры верхней горизонтальной поверхностью ограждения, Вт,

.

Общая потеря теплоты ограждениями Q_о.с, Вт,

.

Определяем потерю теплоты через нижнюю стенку пекарной камеры. Производим расчет участка стенки длиной l₄ = 4,41 м (см. рис. 1), в котором отсутствуют газоходы и другие тепловыделяющие устройства,

,

,

где Q_н.с – потеря теплоты пекарной камеры через нижнюю стенку печи, Вт; λ₂ – коэффициент теплопроводности изоляционного материала (шлаковая вата), λ₂ = 0,086 Вт/(м·К); δ – толщина стенки, м; f_н.с – площадь поверхности нижней стенки, м², через которую теряется теплота пекарной камеры.

,

где t_ст – температура стенки со стороны передней камеры, принимаем равной температуре среды в нижней зоне печи, t_ст = 175 °С; t_пол – температура пола, t_пол = 20 °С.

Находим потери теплоты излучением через посадочное окно печи размерами h₃ = 0,23 м, b₂ = 2,3 м (см. рис. 1).

3,6^. Q_ок /G_x.

Площадь окна f, м²,

.

Тепловой поток через окно можно определить по формуле

,

где ε = 1 – коэффициент теплового излучения отверстия, φ – угловой коэффициент (рис. 2); Т_п.к – средняя температура пекарной камеры, К,

,

T_ст – температура стен в печном зале, принимается равной температуре воздуха t_в, К; t_п.к.1 – температура в нижней зоне печи, t_п.к.1 = 175°С.

Печь рассчитывается для непрерывной работы и при установившемся тепловом режиме, поэтому q₈^п.к = 0.

Тепловой поток от системы обогрева в пекарную камеру, Вт,

.

Технологический КПД пекарной камеры, %,

.

ЗАДАНИЕ К РГР

Выполните тепловой расчет хлебопекарной печи исходя из: масса одной буханки хлеба g_x, кг; упек относительно горячего хлеба W'_исп, %; температура перегретого пара t^’_п.к., ^оС; начальная температура теста t_m, ^оС; температура формы при выходе из печи t^’’_ф, ^оС; температура окружающей среды в цехе t_в , ^оС; толщина стенки d, м (табл. 4).

Таблица 4

Варианты индивидуальных заданий

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки	gк, кг	W^'исп, %	tm, °С	Последняя цифра номера зачетной книжки	t^''ф, °С	t^'пк, °С	δ, м	tв, °С
	0,6	8,1					0,83
	0,5	8,0					0,84
	0,3	7,9					0,85
	1,0	7,8					0,86
	0,8	7,7					0,87
	0,6	7,6					0,88
	0,5	7,7					0,89
	0,3	7,8					0,90
	1,0	7,9					0,91
	0,8	8,0					0,91

Дата добавления: 2015-07-20