Курсовая работа: Реконструкция установки для сушки древесины
Расход тепла на сушку
определяют отдельно для зимних и среднегодовых условий эксплуатации сушильных
камер. По зимнему расходу тепла ведется расчет тепловой мощности камер. По
расходу тепла в среднегодовых условиях определяется потребность пара на
производственную программу и на 1 м3 высушиваемых фактического и
условного пиломатериалов, т.е. определяются исходные данные для экономических
расчетов, в частности для составления калькуляции себестоимости сушки
пиломатериалов.
При сушке древесины
тепло в основном расходуется на начальный прогрев пиломатериалов, испарении
влаги и на потери через ограждения камеры.
Расход тепла на
начальный прогрев 1 м3 древесины Qнагр.1м3.
В зимних условиях тепло
при нагревании пиломатериалов расходуется на нагревание древесной массы в
области отрицательных и положительных температур и на оттаивание замерзшей
влаги.
Для зимних условий
расход тепла определятся по формулам, кДж/м3
Qнагр.1м3=с(С(-)(-tоз)+С(+)tкам.)+сусл.. (2.27)
нагр.1м3=650(2,1*31+2,8*62)+400=230195 кДж/м3
где r
-
скрытая теплота плавления льда (335кДж/кг);
с
– плотность древесины при фактической ее влажности, побирается на диаграмме на
рис.2 [5];
сусл-
базисная плотность древесины, выбирается по табл. 1, кг/м3 [5];
Wн
–
начальная влажность древесины, %;
Wг.ж
- влажность
гигроскопически жидкой влаги [3], рис.1;
С(+), С(-)
– удельная теплоемкость древесины соответственно при положительной и
отрицательно температуре, рис. 3 [5];
tкам-
температура древесины при ее нагреве, оС; при сушке в среде влажного
воздуха принимается на 5оС выше температуры tс
по
первой ступени режима;
tоз-
начальная температура древесины, принимается по табл.11[5];
При определении
удельной теплоемкости древесины для С(-) принимают, оС:
tср.(-)= (2.28)
тогда C(-)=2,1
кДж/кгоС,
tср.(+)= (2.29)
тогда C(+)=2,8
кДж/кгоС,
Для среднегодовых
условий, когда tс.г.>0
оС, расход тепла Qнагр.1м3
определяется по формуле:
Qнагр.1м3=сС(+)(tкам.-tс.г.)=650.2,8.
(62-0,8)=111384 кДж/м3 (2.30)
В этом случае
среднеарифметическая температура для определения по рис. 3 [5] удельной
теплоемкости С(+) подсчитывается как полусумма двух
температур, оС:
tср=, (2.31)
тогда C(+)=2,8кДж/кгоС.
Расход тепла на
нагревание древесины Qнагр
в
секунду.
Секундный расход тепла
подсчитывается для зимних и среднегодовых условий, кВт:
Qнагр.=, (2.32)
где фнагр-
продолжительность нагревания древесины, ч; ориентировочно принимают для
пиломатериалов мягких хвойных пород на каждый сантиметр толщины 1ч, а зимой 2ч.
Для зимних:
Qнагр=,
Для среднегодовых:
Qнагр=.
Удельный расход тепла qнагр
на нагревание древесины, приведенный к 1 кг. испаряемой влаги, кДж/кг.исп.влаги:
Для зимних условий:
qнагр
= (2.33)
Для среднегодовых:
qнагр
=
Расход тепла на
испарение влаги.
При сушке в
паровоздушной среде удельный расход тепла на испарение влаги, кДж/кг
qисп=1000, (2.34)
гдеI2
–
теплосодержание отработавшего агента сушки, выходящего из штабеля, кДж/кг, I2=I1;
Iо
– теплосодержание свежего воздуха при t=20oC;
Св –
удельная теплоемкость воды, Св=4,19 кДж/кг;
tм
– температура нагретой влаги в древесине, принимают равной температуре tм
первой ступени режима.
Общий расход тепла на
испарение влаги Qисп
в секунду, кВт
Qисп.=qисп.Мр=2892,6.0,0065=18,8
кВт (2.35)
2.2.8
Расчет теплопотерь через ограждения камеры
Потери тепла в секунду
через ограждения камеры Qогр.
определяют по выражению:
Qогр=Fогр
.k
(t1-tнар),
(2.36)
где Fогр-
площадь ограждения (подсчитывается отдельно для стен, перекрытия, дверей,
пола), м2;
k-
коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м2 град.;
tнар
– температура вне сушильных камер.
Сушильные камеры будут
находится в отапливаемом помещении, то tнар=15оС.
Коэффициент
теплопередачи для многослойных ограждений необходимо рассчитать по формуле,
Вт/м3град:
k= (2.37)
где бвн -
коэффициент для внутренней поверхности ограждения, при сушке в паровоздушной среде
бвн=25Вт/м2град;
в1, в2,….
вn
– толщина слоев ограждения, м;
л1, л2
…. лn
- коэффициенты теплопроводности материалов, составляющие слои ограждений, Вт/м2град.,
(табл.12 [5]);
лн
– коэффициент теплопроводности для наружной поверхности ограждений, Вт/м2град.,
выходящих в отапливаемые помещения, лн=9Вт/м2град.
Коэффициент
теплопередачи пола kпол
принимают равным 0,5k
наружной стены.
kпол=0,5kнар.ст
(2.38)
За охлаждающую
поверхность пола принимают полосу шириной 1 м вдоль наружной стены.
Для того чтобы
исключить возможную конденсацию пара на внутренних поверхностях ограждений
(пола, дверей, стен), когр должен удовлетворять условию:
когр
£
0.6 Вт/(м2хград).
Таблица 2.5 -
Расчет площади поверхности ограждений сушильной камеры
Ограждения |
Формула |
Площадь, м2
|
Боковая наружняя стена |
Fбок.ст=L.H
|
8,3.2,2
= 18,26 |
Торцовая задняя стена |
Fт.ст
= B.H
|
2,2.2,8
= 6,16 |
Торцовая передняя стена (без площади
дверей) |
Fт.ст
= B.H
– Fдв
|
2,2.2,8
– 4,4 = 1,76 |
Потолок |
Fпот
= L.B
|
8,3.2,8
= 23,24 |
Пол |
Fпол=L+
2(B-1)
|
8,3+ 2(2,8 – 1) = 11,9 |
Дверь |
Fдв
= b.h
|
2,2.2,0=
4,4 |
где L
–
длина боковой стены, м (8,3);
H,
B – соответственно
высота и ширина камеры, м(2,2; 2,8);
h,
b – соответственно
высота и ширина двери, м (2,2; 2,0).
Удельный расход тепла
на потери через ограждения камеры, кДж/кг.исп.влаги:
gогр=
∑Qогр/Мс=3,22/0,004=805,0
кДж/кг.исп.влаги (2.39)
Суммарный удельный
расход тепла на сушку древесины.
Подсчитывают для
среднегодовых условий:
gсуш.=(gнагр.+gисп.+gогр.)с1,
(2.40)
где с1 –
коэффициент, учитывающий неизбежные потери на нагревание ограждений и
конструкций камеры, транспортных средств; утечку через не плотности и вынос
тепла штабелем после его сушки и др., с1=1.3.
gсуш
=(525,39+2892,6+805,0)1,3=5489,9кДж/кг.исп.влаги
2.2.9
Выбор типа и расчет теплоотдающей площади калорифера
Подбор типа калорифера.
В качестве источника
тепла в лесосушильной камере ИУ-1гв использованы биметаллические водяные
калориферы.
Тепловая мощность
калорифера.
Тепловую мощность
калорифера рассчитывают по максимальному расходу тепла в период сушки в зимних
условиях по формуле:
Qк=(Qисп
+ åQогр)с2,
(2.41)
где Qисп
–
расход тепла на испарение влаги, кВт;
åQогр
– теплопотери через ограждения камеры в зимних условиях, кВт;
с2
– коэффициент запаса на неучтенный расход, на возможное ухудшение теплоотдачи
калорифера в процессе эксплуатации по причине, например, загрязнения, с2=1.1
– 1.3
Qк=(18,8
+ 3,22)х1,2=26,4кВт
Расчет поверхности
нагрева калорифера.
Fк=1000
Qк
с3/кк(tт
– tс)
= 1000.26,4.1,2/21,35(84-61)=64,5
м2 , (2.42)
где кк –
коэффициент теплопередачи калорифера, Вт/(м2х0С);
tт
– температура теплоносителя, (84 0С);
tс
– температура нагреваемой среды в камере, (610С);
с3 –
коэффициент запаса (с3 = 1.2).
Живое сечение
калорифера:
Fж.сеч.кал.
= fж.сеч.кал.
nк
= 2,5х1 = 2,5 м2, (2.43)
где fж.сеч.кал
–
живое сечение для прохода агента сушки одного калорифера, м2
nк
–
количество калориферов в одном ряду, перпендикулярном потоку агента сушки.
Скорость агента сушки
через калорифер:
vк
= Vц/
Fж.сеч.кал
=11,7
/2,5 = 4,68 м/с. (2.44)
Коэффициент
теплопередачи калорифера:
k
= 10,2 . vк
0,48
= 21,39 Вт/(м2х0С). (2.45)
Количество калориферов
из биметаллических труб на одну сушильную камеру:
nk=
Fk/¦k,
(2.46)
где ¦k
–
площадь нагрева одного биметаллического водяного калорифера данной марки.
nk=64,5/136,02=0,5
Принимаем 1
биметаллический водяной калорифер КСк3-12 .
2.2.10
Определение расхода воды
Расход воды на одну
сушильную камеру
Dг.в
= Qk
/cв
rв
Dt
= 26,4/4,19.945.15
= 0, 0004 м3/сек или 1,44 м3/час, (2.47)
где Qk
–
тепловая мощность калорифера, кВт;
св –
теплоемкость воды,
rв
– плотность воды, кг/м3;
Dt
– разница между температурой воды на входе к калорифер и на выходе из
калорифера.
Скорость воды:
Vв
= Dг.в
/ fж.сеч
= 0,0004 / 0,0022 =0,18 м/с (2.48)
где fж.сеч
– площадь трубы калорифера.
Годовая потребность в
горячей воде:
Dг
= 335.24.n.Dг.в
= 335.24.5.1,44
= 5,78.104
м3 (2.49)
где 24- число часов в
сутках; 335 – число рабочих дней в году;
n
–
число камер, в которых идет сушка.
2.2.11
Определение диаметров трубопроводов
Рассчитанные значения
диаметров труб сравниваются со стандартными диаметрами (условным проходом) и
принимаются ближайшие большие значения по ГОСТ 3262 – 72 “Трубы стальные
водопроводные” (условный проход 6. 8, 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 90,
100, 125, 150 мм).
Диаметр магистрального
трубопровода, м:
dмаг=
Ö1,27Рцех/3600rвVв,
(2.50)
где rв
– плотность воды, кг/м3;
Рцех
– расход воды на сушильный цех, м3/час;
Vв
-
скорость движения воды, принимаем 0,001 м/с.
Рцех =nкам.Dг.в
, (2.51)
Рцех = 20.1,44=28,8
м3/час;
dмаг=
Ö1,27.28,8/3600.945.0,001
=0,098м
Принимаем трубу 100х2.8
ГОСТ 3262 – 75.
Диаметр трубы (отвода)
к коллектору камеры, м:
dк=
Ö1,27
Dг.в/3600rвVв,
(2.52)
Vв
-
скорость движения воды, принимаем 0,001 м/с.
dк=Ö1,27.1,44/3600.945.0,001=0,022м
Принимаем трубу 25х2.8
ГОСТ 3262 – 75.
Диаметр трубы к
калориферу камеры, м
dк=Ö1,27Рв/3600rв
Vв,
(2.53)
где Рв
– расход воды на сушку, м3/ч;
dк=Ö1,27.2.10-4/3600.945.0,001
=0,00026м
Принимаем трубу 25х2.8
ГОСТ 3262 – 75
Диаметр увлажнительных
труб для установки форсунок, м.
dувл
= Ö1,27Рк.пр /3600рнVв,
(2.54)
где Vв
– скорость движения воды, принимаем 50 м/с.
dувл=Ö1.27.282,8/3600.1,13.50
= 0,031м
Принимаем трубу 12,5х2.8
ГОСТ 3262 – 75
4.
Аэродинамический расчет
4.1
Общая часть
Основными задачами
аэродинамического расчета установок для сушки пиломатериалов являются: выбор
типа, размеров и количества вентиляторов требуемой производительности,
определение числа оборотов вентиляторов и необходимой мощности двигателей для
их привода, а также количества потребляемой электроэнергии.
Выбор вентиляторов и их
параметров производится по индивидуальным или обобщенным аэродинамическим
характеристикам в соответствии с требуемой производительностью и напором,
составленным для т.н. стандартного воздуха (t
=
20о С, ц = 0,50 и Рб = 760 мм. рт. ст., с = 1,2 кг/м3).
Полный напор Нв,
развиваемый вентилятором, в общем случае должен быть равен сумме статического и
динамического напоров:
Н в= Нст
+ Нд (4.1)
Статический напор Нст
равен сумме сопротивлений всех последовательных участков ∆hi
на пути движения агента сушки в камере:
n
Нст=∑∆hi,
или (4.2)
i
n
сi
щi2
еi
lu
Нст=∑
________ ( _______ + жi),
Па (4.3)
i
2
f
где на данном i-ом
участке
сi
–
плотность агента сушки, кг/м3;
щi
– скорость агента сушки, м/с;
еi
–
коэффициент трения о стенки газохода;
l
– длина прямого газохода, м;
u-
периметр поперечного сечения прямого газохода, м;
f
– площадь «живого» сечения газохода, м2;
жi
–
коэффициент местного сопротивления.
Для расчета Нст
необходимо составить схему контура циркуляции агента сушки в камере, разбив
его на характерные расчетные участки местных сопротивлений. Скорость движения
воздуха на каждом участке определяется по общей формуле:
где fж.с
- поперечное сечение канала, свободное для прохода агента сушки, м2;
Vс
–
объем циркулирующего агента сушки, м3/с.
Рис 4.1 Схема циркуляции
агента сушки по камере ИУ‑1гв
Таблица 4.1 Участки
циркуляции воздуха в камере
Номер участка |
Наименование участка |
1 |
Вентилятор |
2, 4, 8, 10, 11 |
Поворот под углом 900
|
3, 9 |
Прямой канал |
5 |
Вход в штабель (внезапное сужение) |
6 |
Штабель |
7 |
Выход из штабеля (внезапное
расширение) |
12 |
Калорифер |
4.2
Определение скорости циркуляции агента сушки по каждому участку.
Для определения
сопротивления каждого участка Дhi
необходимо знать скорость агента сушки щi
на каждом участке. Поскольку объем циркулирующего агента сушки Vс,
определенный в тепловом расчете, известен, то следует вначале определить
«живые» сечения на каждом участке с тем, чтобы рассчитать далее скорость щi.
Участок 1.
Вентиляторная перегородка:
f1=((рDв2)/4)nв,
м2, (4.5)
где Dв
–
диаметр вентилятора, м; принимается предварительно, либо по установленному в
камерах;
nв
– число вентиляторов, работающих на рассчитываемый объем агента сушки. В нашем
случае nв=
1.
f1=((3,14.1,92)/4)
.1=2,83
м2
Участки 2,4,8,10,11.
Поворот под углом 90о:
f2=
f4=f8=f10=f11=0,5Н=0,5.3=1,5м2
где Н – высота камеры,
м.
Участок 3,9. Прямые
газоходы:
Сопротивление на этих
участках можно не считать, т.к. из-за их незначительной длины, сопротивление
потоку ничтожно мало.
Участок 5. Внезапное
сужение потока агента сушки (вход в штабель):
Fж.сеч.шт=LштH(1-ввыс),
м2, (4.6)
где Lшт
– длина штабеля, м;
Н – высота штабеля, м;
ввыс –
коэффициент заполнения штабеля по высоте, при толщине пиломатериала 25 мм и прокладок 25 мм он равен 0,5.
Fж.сеч.шт=6,6∙2,6(1-0,5)=8,58
м2
f5
=Fж.сеч.шт=8,58м2
Участок 6. Штабель:
f6=
Fж.сеч.шт=8,58м2
Участок 7. Внезапное
расширение потока агента сушки (выход из штабеля):
f7=Fж.сеч.шт=
8,58м
Участок 12. Калорифер
из биметаллических труб.
f12=
Fж.сеч.кал
=2,5 м2
4.4
Выбор вентилятора
Серийные вентиляторы
подбираются по аэродинамическим характеристикам: индивидуальным, групповым и
безразмерным. В нашем случае циркуляция агента сушки осуществляется
низкочастотными центробежными вентиляторами с радиальными лопатками
специального изготовления конструкции проф. Микита Э.А., ЛатНИИЛХП. Эти
вентиляторы хорошо зарекомендовали себя при горизонтально‑поперечной
циркуляции сушильного агента в камерах типа ИУ.
Выбираем вентилятор
Ц9-57 №8 с диаметром вентилятора 2000 мм, числом оборотов nв=900
об/мин, КПД=0,75.
4.5
Определение мощности и выбор электродвигателя
Мощность, потребляемая
вентилятором, подсчитывается в зависимости от давления Нв, Па и
производительности Vв,
м3/с
где зв – КПД
вентилятора по аэродинамической характеристике;
зп – КПД
передачи, равный 0,95 при клиноременной передаче.
Vв=
Vс/n=19,734/1=19,734
м3/с
489 ∙19,734
Установленная мощность
электродвигателя:
Nуст=kNв=1,1.13,5=14,9кВт
(4.8)
где k
– коэффициент запаса мощности, k=1,1
Выбираем
электродвигатель 4А160М6У3, мощностью 15 кВт, с числом оборотов – 1000 мин-1.
4.6
Расчет приточно-вытяжных каналов
Площадь поперечного
сечения приточного канала:
fпр.к.=V0/
щк, м2, (4.9)
где V0
– объем свежего воздуха, м3/с;
щк –
скорость агента сушки, равная 2 м/с.
fпр.к=0,089/2=0,0445
м2
Площадь поперечного
сечения вытяжного канала:
fвыт.к.=Vотр/
щк, м2,
где Vотр
– объем отработавшего воздуха.
fвыт.к=0,113/2=0,0565
м2.
5.
Описание технологического процесса
Технологический процесс
сушки пиломатериалов в камерах периодического действия включает следующие этапы
(операции):
1.
Подготовка
камеры к работе.
2.
Формирование
сушильного штабеля пиломатериалов.
3.
Загрузка
камеры (закатка штабеля или штабелей).
4.
Прогрев
камеры и проведение собственно сушки по заданному режиму.
5.
Проведение
влаготеплообработок.
6.
Кондиционирование
пиломатериалов (при необходимости).
7.
Охлаждение
материала и выкатка штабеля.
5.1
Подготовка камеры к работе
Подготовка камеры
заключается в очистке ее от мусора и проверке исправного состояния
оборудования.
Проверяют шибера
воздухообменных каналов, они должны полностью перекрывать каналы. Дверь камеры
должна обеспечивать герметичность. Проверяют работоспособность исполнительных
механизмов, так же осмотру подлежит психрометр и вентиляторы.
Периодически
проверяется состояние вентиляторного узла, приборов дистанционного контроля и
автоматического регулирования температур и влажности.
5.2
Формирование сушильного штабеля пиломатериалов
Формирование сушильного
штабеля осуществляется при помощи лифта‑подъёмника.
При формировании
сушильного штабеля необходимо выполнить следующие основные требования:
- штабель должен быть
полногабаритным, т. е. заданных размеров по длине, ширине и высоте (по высоте
штабель должен быть максимально полногабаритным, во избежание паразитных
потоков воздуха, протекающих мимо штабеля);
- необрезные доски
укладываются в ряду комлями в разные стороны, попеременно наружными и
внутренними пластями;
-
широкие
доски - по краям штабеля, узкие в середину;
-
торцы
штабеля должны быть выровнены;
- штабель формируется
из пиломатериалов одной толщины и одной породы;
- доски низших сортов
укладывать на верхние ряды штабеля;
- межрядовые прокладки
– калиброванные, размером 25х40мм в ширину штабеля, из здоровой древесины
хвойных пород, влажностью ≤ 18 %;
-
расстояние
между прокладками в ряду по длине штабеля (шаг) для мягких хвойных пород
рекомендуется равным 20 кратной толщин доски (Ш = 20 Т);
- крайние прокладки –
заподлицо с торцами штабеля;
Для загрузки штабеля в
камеру используются подштабельные рельсовые тележки.
5.3
Загрузка камер
С участка формирования
штабеля штабель транспортируется к камерам при помощи траверсной тележки: с
лифта штабель перекатывается по рельсам на траверсную тележку, траверсная
тележка перемещается до камеры которую предстоит загрузить и перекатывается с
траверсной тележки по рельсам в камеру.
5.4
Прогрев камеры и проведение сушки
После подготовки камеры
к работе и устранения выявленных неисправностей постепенно прогревают камеру,
включают вентиляторы.
Первая технологическая
операция после загрузки камеры – начальная влаготеплообработка (прогрев)
древесины. Для создания необходимой температурно-влажностной среды в камеру
подают теплоноситель, по необходимости открывают вентиль увлажнительной трубы.
Воздухообменные каналы камеры в это время закрыты. Продолжительность прогрева
хвойных п/м в пределах 1,5 – 2,0 часа на каждый см толщины доски.
5.5
Режимные параметры сушки
После прогрева задаются
режимные параметры сушки путем снижения температуры по сухому и увеличению
разницы между сухим и смоченным термометрам. Для этого нужно перекрыть вентили
подачи на увлажнительную трубу и приоткрыть заслонки воздухообменных каналов,
чтобы выбросить из камеры часть влажного воздуха и подать в камеру свежий
воздух. Эту операцию продолжать до установления нужных значений (показателей)
сухого и смоченного термометров согласно режиму сушки.
Режим сушки выбирается
в зависимости от породы и сечения пиломатериала согласно ГОСТ 19773-84.
Для снятия напряжений в
древесине, возникающих в процессе сушки может проводиться промежуточная и
конечная влаготеплообработки. При этом температуру среды в камере держат ≈
на 80 С выше режимной. Степень насыщенности воздуха паром должна
быть не ниже 95%.
Окончание сушки. После
влаготеплообработки пиломатериалы выдерживают в течение 2 – 3 часов при
параметрах последней ступени режима для подсушки поверхностного слоев.
Затем прекращается
подача воды в калориферы, отключается вентилятор и п/м охлаждают до 30 0С,
при этом открыты приточно-вытяжные каналы, а затем приоткрывают и двери камеры.
Время охлаждения в пределах 1 часа на каждый см толщины материала.
Из камеры неохлажденный
штабель пиломатериалов выкатывать запрещается!
Высушенный пиломатериал
должен храниться только в отапливаемом помещении. Для этого в цехе предусмотрен
участок складирования сухих пиломатериалов.
Высушенный пиломатериал
выкатывается на рельсовые пути из камеры при помощи лебедки на траверсной
тележке и трособлочной системы, затем пакеты пиломатериалов при помощи
траверсной тележки транспортируются на участок складирования сухих
пиломатериалов.
Для хранения на
длительный срок пиломатериал перекладывают в плотные пакеты и торцы прикрывают.
Эту операцию можно производить при помощи лифта.
Транспортировка пакетов
сухих пиломатериалов на дальнейшую обработку производится при помощи траверсной
тележки.
Список
литературы
1
Лесосушильные камеры: Метод. указания/ Е.В. Воронцов, В.В. Сергеев, Ю.И.
Тракало. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГЛТУ, 2004. – 32 с.
2
Технологический расчет сушильных камер периодического и непрерывного действия
для пиломатериалов с использованием ПЭВМ: Метод. указания/ В.Г. Кротов, Ю.И.
Тракало, Ю.М. Ошурков. – Екатеринбург: РИО УГЛТА, 2001. – 48.
3
Тепловой расчет лесосушильных камер периодического и непрерывного действия с
использованием ПЭВМ: Метод. указания/ В.Г. Кротов, Ю.И. Тракало. –
Екатеринбург: РИО УГЛТА, 1996. – 48.
4
Гидротермическая обработка древесины. Аэродинамический расчет сушильных камер
периодического и непрерывного действия/ В.Г. Кротов, Ю.М. Ошурков. –
Свердловск: РИО УЛТИ, 1991. – 32 с.
5
Шубин Г.С., Меркушев И.М. Проектирование лесосушильных камер. Учебное пособие
по курсовому и дипломному проектированию по специальности 260200 «Технология
деревообработки». – М.: МГУЛ. 2002. – 100 с.
6
Кречетов И.В. Сушка древесины. Изд-е 4-е перераб. и дополн. – М.: 1977 – 496 с.
|