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
0	Донецкий уголь Д	0	ДСП-50	50	15	80	Пшеница с крепкой клейковиной
1	Ставропольский природный газ	1	ДСП-32	32	16	85	Пшеница со слабой клейковиной
2	Мазут молосерный	8	ДСП-24	24	17	80	Пшеница с хорошей клейковиной
3	Артемовский уголь В	9	ДСП-24сн	20	18	75	Пшеница твердая
4	Ухтинский природный газ	4	ДСП-16	16	19	65	Ячмень пивоваренный
5	Мазут высокосерный	5	ДСП-12	12	20	70	Рожь продовольственная
6	Карагандинский уголь К	6	ЖЗС-12	22	21	85	Семена подсолнечника
7	Воркутинский уголь Ж	7	СЗШ-16	16	22	75	Овес
8	Курдюмский природный газ	8	ВТИ-15	16	23	70	Горох
9	Подмосковный уголь Б2	9	ВТИ-8	8	24	65	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	45		120
Пшеница с хорошей клейковиной	50		140
Пшеница со слабой клейковиной	60		150
Пшеница твердая	50		100
Ячмень пивоваренный	45		70
Рожь продовольственная	60		160
Семена подсолнечника	55		115
Овес	55		140
Горох	45		80
Рис-зерно	35		70
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	50	32	24	20	16	12	22	16	16	8
Число шахт	2	2	2	2	1	1	1	2	2	1
Ширина шахты, мм	3770	3250	3250	3250	3250	3250	3250	3250	3250	3250
Длина шахты, мм	1200	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000
Высоте сушильной камеры, мм	8000	7600	7600	4700	7600	7600	7100	3650	7250	8000

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 Gr∙Pr > 10⁹ (турбулентный режим)

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

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

_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,

,

,

гдеQ_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.

,

г

Рис.3. Номограмма для определения углового коэффициента

излучения.

деt_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 хлебаW'_исп,%; температура перегретого параt^’_п.к. ,^оС; начальная температура тестаt_m ,^оС; температура формы при выходе из печиt^’’_ф ,^оС; температура окружающей среды в цехеt_в ,^оС; толщина стенки, 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
1	0,6	8,1	23	1	164	121	0,83	19
2	0,5	8,0	24	2	163	122	0,84	20
3	0,3	7,9	25	3	162	123	0,85	21
4	1,0	7,8	26	4	161	124	0,86	22
5	0,8	7,7	27	5	160	125	0,87	23
6	0,6	7,6	28	6	159	126	0,88	24
7	0,5	7,7	29	7	158	127	0,89	25
8	0,3	7,8	30	8	157	128	0,90	26
9	1,0	7,9	31	9	159	129	0,91	27
0	0,8	8,0	32	0	160	128	0,91	28