Расчет комбинированной сушильной установки

 

2.2 Описание принципа  работы проектируемого аппарата

Рисунок 4 –  Схема проектируемой комбинируемой сушильной установки

Фарш поступает  в сушилку из бункера по направляющей 4 с начальными параметрами W_н1=38%  и температурой t_н1=10°С. Сбоку, через патрубок 1 поступает воздух с t₁=102°С в сушильную камеру, где идет процесс сушки. Фарш попадая в сушильную камеру встречается с нагретым воздухом, средняя температура которого t_ср=91°С и с этого начинается процесс сушки. Воздух из сушилки отводится через патрубок 2 с температурой t₂=80°С. Вместе с воздухом вылетают частички фарша, которые осаждаются в циклоне при очистке воздуха. Высушенный продукт отводится из сушилки через патрубок 3 с конечной влажностью W_к1=18% и с помощью шнека дозируется на ленту ИК сушильной установки, где расположено 46 излучающих элементов 5, мощность каждого составляет 1кВт. С этого начинается вторая стадия сушки. На выходе продукт имеет характеристики: температура t_к2=72°С и влажность W_к2=4%. Далее высушенный фарш поступает на ленту конвейера.

 

3 Технические расчеты  проектируемого аппарата

 

3.1 Материальный расчет проектируемого аппарата

 

Принимаем исходный продукт – говядина 1 категории, измельченная на волчке с диаметром  решетки 3 мм. Теплоемкость – 3458 Дж/кг К /1, стр. 107/. Зададим начальные и конечные характеристики продукта:

1-ая стадия (конвективная  сушка) – начальная влажность W_н1=38% и температура t_н1=10°С, конечная влажность W_к1=18% и температура t_к1=33°С.

2-ая стадия (ИК  сушка) - начальная влажность W_н2=W_к1=18% и температура t_н2=t_к1=33°С, конечная влажность W_к2=4% и температура t_к2=72°С.

Из  уравнения  материального баланса сушильной  установки определим расход влаги W, удаляемый из высушиваемого материала:

,

где G_к – производительность установки по сухому веществу, кг/ч;

W_н – начальная влажность продукта, %;

W_к – конечная влажность продукта, %.

Тогда производительность по начальному продукту составит: 

Материальный  баланс 2-ой стадии:

 

Материальный  баланс 1-ой стадии:

 

 

 

 

3.2 Тепловой  расчет проектируемого аппарата

 

К основным параметрам влажного воздуха относятся:

1. температура t,°С
2. относительная влажность воздуха φ,%
3. удельное влагосодержание х, кг/кг
4. энтальпия I, кДж/кг

Тепловой расчет 1-ой стадии сушки

Удельное  влагосодержание воздуха рассчитаем по формуле:

                                                       (1)

где 0,622 –  отношение мольных масс водяного пара и воздуха /6, 423 стр./ ;

Р_н – давление насыщенного водяного  пара при данной температуре воздуха, Па /6, 548 стр./ ;

В   –  общее давление паровоздушной среды, Па. (Для Европейской части СНГ принимается 745 мм рт. ст. = 99100 Па.) /6/.

Удельное  влагосодержание воздуха на входе в калорифер:

 кг/кг

Т.к. подогрев воздуха в калорифере происходит при неизменном влагосодержании  воздуха, то удельное влагосодержание  воздуха на входе в калорифер  тоже, что и на входе в сушилку:

, кг/кг

Энтальпия влажного воздуха представляет сумму энтальпий сухого воздуха и водяного пара, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:

                                                            (2)

где  С_с.в. – средняя удельная теплоёмкость сухого воздуха, (при t<200°С С_с.в.=1,01 кДж/(кг^.К)) /6, 513 стр./

t  – температура влажного воздуха, °С;

х – удельное влагосодержание воздуха, кг/кг;

i_n – удельная энтальпия перегретого пара, кДж/кг.

                                                        (3)

где   r₀  – удельная теплота парообразования воды, (при 0°С r₀=2493,1 кДж/кг) ;

c_n – средняя удельная теплоёмкость водяного пара;

c_n=1,97 кДж/(кг^.К) /6, 528 стр./

Энтальпия воздуха  на входе в калорифер:

 кДж/кг

Энтальпия воздуха  на выходе из калорифера (на входе в  сушилку): 

, кДж/кг

 

Уравнение внутреннего теплового  баланса сушилки:

                                                   (4)

где     - разность    между   удельными   приходом   и   расходом тепла                непосредственно в сушильной камере, кДж/кг влаги;

С_ж – теплоемкость воды. С_{ж =}  4,19 кДж/(кг^.К) /6, 537 стр./ ;

q_тр – удельный расход теплоты на подогрев транспортных устройств.

Пренебрегаем ввиду незначительности данного вида потерь,

q_м – удельный расход теплоты, расходуемый на нагрев материала;

q_п – потери в окружающую среду. Условно принимаем равными 200 кДж/4, 242 стр./.

                                                                            (5)

с_м   -  теплоемкость высушенного материала /1, 107 стр./:

                                                                                              (6)

 Дж/кг К

кДж/кг

Зададим температуру  на входе в сушилку 102°С, на выходе 80°С.

 кДж/кг

Запишем уравнение  рабочей линии сушки:

                                                 (7)

                                        (8)

Для построения рабочей линии сушки на диаграмме I-х необходимо знать координаты (I и х) минимум двух точек. Координаты одной точки известны:

I₁=119,18 кДж/кг, х₁=0,006 кг/кг,

Для нахождения координат второй точки, зададимся произвольным значением х, и определим соответствующее ему значение I. Пусть х=0,008 кг влаги/кг с.в., тогда:

, кДж/кг 

Через две точки  на диаграмме I-х с координатами I₁, х₁ и I, х поводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром t₂=80°С. В точке пересечения линии сушки с изотермой t₂=80°С находим параметры воздуха: х₂=0,011 кг /кг, I₂ = 115 кДж/кг.

 

 

 

 

Расход воздуха  на сушку:

                                                   (9)

 кг/с

Средняя температура  воздуха в сушилке:

Среднее влагосодержание  воздуха в сушилке:

 кг/кг

Средняя плотность воздуха:

 кг/м³

Средняя плотность водяных паров:

 кг/м³

Средняя  объемная   производительность по воздуху:

 м³/с

Расход тепла  на сушку:

 кВт

Тепловой расчет 1-ой стадии сушки

Запишем уравнение  теплового баланса /2, стр. 52/:

q = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6                                     (10)

где  q – тепло, приносимое лучистым потоком;

q1 – расход тепла на нагрев изделия;

q2 – расход тепла на испарение влаги;

q3 – расход тепла на плавление жира;

q4 – расход тепла на нагрев конвейера;

q5 – расход тепла на нагрев воздуха;

q6 – расход тепла на потери в окружающую среду.

Для определения  расхода тепла на нагрев мясопродуктов используем уравнение:

q1 = G{b[(t_к - t_н)С_в + а₀r] + g[C₁(t_пл - t_н) + a₁r₁ + (t_к - t_н)С₂ +       (11)

+ С_c (t_к - t_н)(1 – b – g)]}

где  G – масса нагреваемого продукта, кг;

t_к – конечная температура продукта, °С;

        t_н – начальная температура продукта, °С;

b – весовая доля воды;

С_в – удельная теплоемкость воды, кДж/кг;

С_с – удельная теплоемкость сухого остатка, равная 1,67 кДж/кг К;

g – весовая доля жира (принимаем 5%);

1 – b – g – весовая доля сухого остатка;

t_пл – температура плавления жира. t_пл = 40°С;

С₁ и С₂ – удельная теплоемкость жира соответственно до и после плавления, кДж/кг К;

а₀ – доля испарившейся воды;

а₁ – доля расплавившегося жира (принимаем 5%) ;

r₁ – удельная скрытая теплота плавления жира, кДж/кг (r₁  = 130 кДж/кг) ;

r – удельная скрытая теплота испарения воды, кДж/кг (r₂  = 2493,1 кДж/кг).

Конечную температуру  воды можно представить так:

t_k = t_н(e^mτ + ατⁿ)/2                                            (12)

где α, n, m – опытные величины для разных видов излучателей. К установке принимаем излучатель КИ – 1000, для него эти величины соответственно равны 0,855; 0,383; 0,0061;

τ – время обработки продукта, принимаем 30 секунд.

t_k = 33 (2,71^{0,0061 30} + 0,855 30^0,383) = 72 °С

q2 = r₂G_вл                                                                                     (13)

где G_вл – количество испаренной влаги, кг

q2 = 2493,1 51,22 =127696,582 кДж/кг

q3 = r₁G_ж                                                                                     (14)

где G_ж – количество расплавленного жира, кг

q3 = 130 0,05 351,22 = 2282,9 кДж/кг

Значениями q4, q5 пренебрегаем, а значение q6 учтем как потери в размере 5% от общих затрат энергии.

q1 =351,22 {0,18 [(72 – 33) 4,190 + 0,14 2493,1] + 0,05 [6,28 (40 -

• 33) + 0,05 130 + 6,28 (72 - 33) + 1,67 (1 – 0,18 – 0,05) (72 - 33)]} = =38464 кДж/кг

q = 1,05 (38464 + 127696,582 + 2282,9) = 176866,5 кДж/кг

Расход тепла  на сушку составит Q₂ = 49,13 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Конструктивный расчет проектируемого аппарата

 

Расчет ленточной  сушильной установки.

Определим рабочую  длину ленты:

                                                        (14)

где ρ_н - насыпная плотность высушенного материала, кг/м³ (ρ=1100 кг/м³) /1/;

 f - площадь поперечного сечения высушенного материала на ленте, м²;

При сушке материалов, сохраняющих форму:

                                                       (15)

где b – рабочая ширина ленты, м;

h – высота слоя продукта, м (зададим h = 0,01м)

                                                   (16)

Принимаем ширину ленты В = 1250 мм.

Примем продолжительность  сушки фарша 50 мин.

Зная длину  ленты и время сушки, можно рассчитать скорость движения ленты:

Принимаем общее  число лент 3. Тогда рабочая длина каждой ленты составит 10,42 м.

Диаметр приводного барабана принимаем d = 0,15 м.

С учетом относительного смещения лент и рамы общая длина  корпуса сушильной установки составит 11 м, ширина 1,525 м и высота 1,1 м.

Рассчитаем  потери давления в сушилке, которые будут складываться из потерь, обусловленных прохождением потока воздуха через металлическую сетку ленты (∆Р_с) и слой продукта (∆Р_пр). Ввиду низкого коэффициента местного сопротивления металлической сетки (ζ = 0,05), потерями давления пренебрегаем.

∆Р_пр = 3 h (ρ_м – ρ_в) g (1 – ε)                                      (17)

где 3 – количество слоев продукта (принимается по числу лент);

h – высота слоя продукта, м;

ρ_м и ρ_в – плотность материала и воздуха соответственно;

ε – порозность слоя (принимаем ε = 0,4). 

∆Р_пр = 3 0,01 (1100 – 0,6) 9,81 (1 – 0,4) = 194,13 Па

 

 

Расчет ИК сушильной установки.

Определим общее  число элементов излучения:

n = k Q₂/q₁                                                                             (17)

где k – коэффициент запаса (принимаем k = 1,05);

q₁ – теплота, выделяемая одним элементом (для элемента КИ – 1000 это значение составляет 1 кВт)

n = 1,05 49,13/1 = 51,58

Таким образом  к установке принимаем 52 элемента КИ – 1000.

С учетом размеров ИК элементов и с целью обеспечения  равномерного и полного освещения  продукта к установке принимаем  ленту шириной 400 мм. Элементы будем располагать по одной в ряд, расстояние между элементами составит 0,1 м, тогда рабочая длина ленты и длина корпуса составит 6000 мм. Высота 568 мм. Ширина корпуса – 512 мм.