Расчет показателей процесса сушки и охлаждения зерна пшеницы

Расчет показателей процесса сушки и охлаждения зерна пшеницы

Содержание

Введение

. Агротехнические требования к зерносушилкам

. Тепловой расчет установки

.1 Характеристика газовоздушной смеси и состояния зерна в процессе сушки и охлаждения

.2 Расчет испаренной влаги в сушильной камере

.3 Определение расхода воздуха

.4 Определение расхода теплоты на сушку

.4.1 Приход теплоты

.4.2 Расход теплоты

.4.3 Тепловой баланс

. Построение процесса сушки на I-d-диаграмме

. Расчет процесса охлаждения

. Подбор вентилятора для зерносушилки

. Подбор топочного блока

. Расчет основных размеров барабанной сушилки

. Технолого-экономические показатели

. Технологические регулировки

Заключение

Литература

Введение

Увеличение производства зерна неразрывно связано с необходимостью постоянного совершенствования техники и технологии сушки.

В основных типах зерносушилок для сельскохозяйственного производства используется принцип конвективной сушки - теплота на нагрев и испарение влаги подводится нагретым воздухом, который одновременно служит и для удаления из сушилки испаренной влаги. Зерно при этом может находится - в состоянии неподвижного, движущегося, взвешенного слоя. В соответствии с этим применятся зерносушилки периодического и непрерывного действия (камерные, шахтные, бункерные и барабанные).

Своевременно и правильно проведенная сушка не только повышает качества зерна при хранении, но и улучшает его продовольственные и семенные достоинства.

При проектировании сушильных установок необходимо применять такие схемы и рассчитывать режимы их работы так, чтобы добиться повышения КПД сушилки и качества высушиваемого зерна.

1. Агротехнические требования для сушилок

Сушилки должны сушить зерно и семена без снижения качественных показателей, обусловленных стандартами на семена и зерно продовольственно-кормового назначения.

Семена и зерно после сушки не должны приобретать постороннего запаха. Барабанные сушилки должны обеспечивать сушку зерна и семян с начальной влажностью не более 35% с содержанием в нем сорной примеси не более 3%, в том числе соломистой примеси.

Отклонение температуры нагрева зерна и семян в барабанных сушилках от среднего значения по сечению шахты, в зоне максимального нагрева не должно превышать + 50С для семян, + 70С для продовольственного зерна.

Сушилки должны обеспечивать охлаждение зерна после сушки при температуре охлаждающего воздуха ниже 170С до температуры не более 250С, а при температуре охлаждающего воздуха выше 170С до температуры, превышающей температуру охлаждающего воздуха не более, чем на 80С.

Колебания заданной температуры теплоносителя, поступающего в сушильную камеру, при установившемся режиме работы не должны превышать 0,25%. Конструкция сушилок должна обеспечивать возможность полной ее очистки от остатков зерна и семян, проведение дезинфекции, а также установки первичных датчиков контроля, сигнализации и автоматизации технологического процесса, и отбора проб для определения качества семян и зерна.

Барабанные зерносушилки должны обеспечивать сушку зерна и семян любой влажности и засоренности. Снижение влажности за один пропуск должно быть не менее 6% на пшенице продовольственного назначения и не менее 3% на семенах с начальной влажностью зерна или семян до 20%.

2. Расчет основных показателей процесса сушки

Расчетная схема прямоточной сушилки включает источник теплоты 1, сушильную камеру 2 и охладильную камеру 3.

зерносушилка охлаждение барабанный бункерный

2.1 Характеристика газовоздушной смеси и состояния зерна в процессе сушки и охлаждения

Газовоздушная смесь характеризуется четырьмя основными параметрами: температурой t0, C; относительной влажностью φ, %; влагосодержанием d, г/кг и энтальпией I, кДж/кг [3, 6, 7].

В процессе сушки состояние изменяется. Поэтому различают нулевое (исходное) состояние - наружный воздух перед входом в теплообменник (в колорифер) с параметрами t0, φ0, d0, I0; первое состояние - нагретый в теплообменнике 1 воздух перед входом в сушильную камеру 2 с параметрами t1, φ1, d1, I1; второе состояние - отработанный агент сушки на выходе из сушильной камеры с параметрами t2, φ2, d2 и I2. Для охлаждения зерна в охладительную камеру 3 поступает наружный воздух с параметрами t3, φ3, d3, I3.

Зерно как объект сушки характеризуется тремя основными параметрами: расходом G кг/н; температурой θ, 0C и относительной влажностью ω,%. Зерно при сушке в камере нагревается, а затем охлаждается в камере 3, при чем из него испаряется влага за счет теплоты аккумулирования. В соответствии с этим различают три состояния зерна: первое - перед загрузкой в сушильную камеру с параметрами G1, θ1, ω1; второе - после сушки, перед началом охлаждения с параметрами G2, θ2, ω2, третье - после охлаждения с параметрами G3, θ3, ω3.

Тепловой расчет сушки обычно ведут при сушке пшеницы на продовольственном режиме при съеме влаги с 20 до 14%. Если задана начальная влажность зерна более 20%, то необходимо определить число пропусков зерна через сушилку:

  (1)

где ωк - кондиционная влажность зерна (ωк=14% для зерновых культур)

Δωдоп - допустимое снижение влажности за один пропуск через прямоточную зерносушилку (для семян хлебных культур - зернобобовых и кукурузы).

Расчет ведут для каждого пропуска

Фактический расход по сырому зерну для каждого прохода:

где Gn - паспортная производительность зерносушилки, плановых т/ч;

Кп - коэффициент, учитывающий начальную и конечную влажность высушиваемой культуры (берем из справочных таблиц [1, 5, 6];

Кс - коэффициент, учитывающий режим сушки (для семян Кс = 2, для продовольственного зерна Кс = 1);

Кк - коэффициент, учитывающий обрабатываемую культуру.

Принимаем: Gn = 5; т /ч; Кс = 1; Кп = 1; Кк = 1.

2.2 Расчет испаренной влаги в сушильной камере

Исходным положением расчета является предпосылка, что масса сухого вещества зерна и масса сухого воздуха в процессе сушки не изменяется и остаются величинами постоянными, вследствие чего все расчеты относятся к 1 кг сухого вещества и сухого воздуха [4, 8]. Кроме того, общее количество влаги, участвующей в процессе, то есть влаги, содержащейся в зерне и сушильном агенте (пар) - остается постоянным.

Расчет испаренной влаги в сушильной камере, исходя из материального баланса, ведут по следующей зависимости:

 (3)

Принимаем ω2 = 15%[1]

Расход зерна после охладительной колонки определяется по формуле:

,

где ω3 - конечная влажность зерна.

Принимаем: ω3=14%.

2.3 Определение расхода воздуха

На основании постоянства общего количества влаги, участвующем в процессе сушки, уравнение баланса влаги записывается:

 (4)

где  - влага, поступившая с сырым зерном, кг/ч;

 - влага, уносимая с просушенным зерном, кг/ч;

 - влага, поступившая с агентом сушки, кг/ч;

 - влага, уносимая с отработавшим агентом сушки, кг/ч.

После преобразования уравнения (4) с учетом (3) часовой расход воздуха на испарение влаги определяется:

 (5)

Удельный расход сухого воздуха:

 (6)

2.4 Определение расхода теплоты на сушку

Баланс теплоты, выражающий равенство между приходом и расходом теплоты в сушильной камере при аналитических расчетах сводится к раздельному определению всех статей прихода и расхода теплоты.

.4.1 Приход теплоты

Теплота, вносимая в сушильную камеру с атмосферным воздухом:

 (7)

где I0 -энтальпия наружного воздуха, кДж/кг.

Теплота, полученная в нагревательном устройстве:

 (8)

Теплота, поступившая в камеру с зерном:

  (9)

С1 - удельная теплоемкость сырого зерна;

 (10)

Сс - теплоемкость сухого вещества зерна, равная 1,54 кДж/кг•ч;

Свл - удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/кг•ч.

В самой сушильной камере может быть источник, содержащий дополнительную теплоту Qдоп.

Тогда

.4.2 Расход теплоты

Расход теплоты, уносимой из сушилки вместе с зерном:

Удельный расход теплоты:

Потери теплоты в окружающую среду через стенки сушилки:

 (12)

где k0 - общий коэффициент теплопередачи от агента сушки в окружающую среду через стенки сушильной камеры кДж/м2 •ч •0С;

F - площадь всех стенок сушильной камеры, через которые происходит утечка теплоты в окружающую среду;

где tср - средняя температура агента сушки,

tв - температура воздуха в помещении сушилки, 0С

Величина коэффициента теплоотдачи [4]:

 (13)

гдеα1 - коэффициент теплоотдачи от стенки к окружающему воздуху;

α2 - коэффициент теплопроводимости, кДж/м•ч•0С;

λ - коэффициент теплоотдачи от газов или воздуха к внутренней стенке, кДж/м2•ч•0С;

δ - толщина стенки и слоя изоляции, м.

Принимаем α1 = α2 = С + ρ • υ

α1 =5,58 + 3,95 • 5 = 25,33 Вт/м2 •0С [8];

α2 =5,81 + 3,95 • 5 = 25,56 Вт/м2 •0С [8];

Принимаем λстали = 46 Вт/м2 •0С [8]; λизоляции = 0,13 Вт/м2 •0С [8];

Принимаем δстали = 2 мм, δизоляции = 8 мм.

Принимаем: F=13м2. по прототипу.

Потери теплоты с отработавшим теплоносителем:

Удельные потери теплоты

.4.3 Тепловой баланс

В общем виде тепловой баланс выразится уравнением:

или в развернутом виде:

Полный часовой расход на сушку составит:

 (16)

Разделив обе части уравнения (16) на W получим удельный расход теплоты

 (17)

Уравнении (17) можно записать в виде:

 (18)

где? - разность между добавлением и потерей в сушильной камере, отнесенная на 1 кг исп. влаги.

 (19)

3. Построение процесса сушки на I-d-диаграмме

Для определения величин удельного расхода в газовоздушной смеси и теплоты q графическим способом сначала подсчитывается величина потерь теплоты по уравнению (19), а затем по I-d-диаграмме находятся интересующие нас величины [1, 4].

Нулевое состояние - наружный воздух с температурой t0=50С и влажностью φ0=60% перед входом в нагреватель. Соответственно этим параметрам находят точку А на I-d-диаграмме, в соответствии с исходными данными, на пересечении изотермы t0 и линии постоянной относительной влажности φ0. Получили d0 = 3,45 г/кг, I0 = 13 кДж/кг.

Первое состояние - нагретый воздух, прошедший через нагреватель перед входом в сушильную камеру характеризуется положением точки В. Для процесса сушки нагретым воздухом, когда d1 = d0 = 3,45 г/кг положение точки В находится на пересечении вертикальной линии d0 = const, проведенной из точки А до пересечения с изотермой t1 = const.

Температура сушильного агента t1, зависит от назначения зерна (на семенные или продовольственные цели), его влажности и типа зерносушилки. Поэтому ее принимают предельной с использованием рекомендаций [5, 15] и инструкций по эксплуатации подобных сушилок t1 = 700С. Получили I1 =80 кДж/кг, φ1 = 0%.

Линия АВ отражает процесс нагрева воздуха в теплообменнике (калорифере), при котором влагосодержание не изменяется.

Третье состояние - отработанный воздух на выходе из сушилки характеризуется точкой С, положение которой на I-d-диаграмме находят в следующем порядке:

а) На линии I1 = const = 80 кДж/кг намечают произвольную точку е;

б) От выбранной точки е откладывают отрезок еφ по горизонтали до пересечения с линией d0 = const = 3,45 г/кг и измеряют отрезок в мм;

в) Определяют величину отрезка еЕ (с учетом масштабов I-d-диаграммы) по уравнению:

 (20)

где Мi - масштаб шкалы энтальпии, кДж/кг сух.возд. в 1 мм;

Мd - масштаб шкалы влагосодержания, г/кг в 1мм;

? - разность между добавлением и потерями тепла в сушильной камере, определяемое по уравнению (19);

Мi =0,75 кДж/кг • мм; Мd =0,36 г/ кг • мм; еφ = 30мм.

г) Найденный отрезок еЕ откладывают от точки е вниз по вертикали, если ? - отрицательная величина и отмечают положение промежуточной точки Е;

д) Найденную ранее точку В соединяют с промежуточной точкой Е прямой линией и продолжают ее до пересечения с точкой С (линия φ2 = const =85% или изотерма t2 = const).

Полученная линия ВС характеризует процесс сушки работающей на подогретом воздухе.

Получим d2 = 16 г/кг, t2 = 250C, I2 = 66,75 кДж/кг.

Повышение влагосодержания от d0 до d2 характеризуется горизонтальной прямой СD, проведенной из найденной точки С до пересечения в точке D с линией d0 = const.

Весь процесс в действительной сушилке изображается по I-d-диаграмме отрезками АВ и СD. Измерив длины этих отрезков в мм определяют удельный расход агента сушки:

 (21)

и удельный расход теплоты:

 (22)

Для завершения теплового расчета определяют часовой расход агента сушки:

 (23)

Проверка теплового баланса.

,5? 1937385,8

Ошибка баланса 0,97% < 5%

С учетом влажности и температуры отработавшего агента сушки и часовой расход агента сушки определяют:

 (24)

где υ0 - объем влажного газа на 1 кг сухого воздуха, м3/кг

Принимаем: υ0=1,136, м3/кг[2].

Часовой расход теплоты:

 (25)

Часовой расход условного топлива составит:

 (26)

где Q - часовой расход топлива;

ηT - КПД топки, равный 0,85 … 0,95;

Qpn - теплотворная способность условного топлива, равная 29330 кДж/кг.

Удельные затраты условного воздуха:

 (27)

Термический КПД сушилки определяется по формуле [7]:

гдеIω1 - энтальпия воды, содержащаяся в исходном материале на входе в сушилку, кДж/кг

гдеСв - теплоемкость воды; Iω2 - энтальпия водяного пара в отработанном агенте сушки;

где Qω0 - теплота испарения воды при 00С (Qω0 = 2500 кДж/кг);

Срω2 - теплоемкость водяного пара (Срω2 = 2 кДж/кг 0С).

Iω1 = 4,19 • 5 = 20,95 кДж/кг.

Iω2 = 2500 +2 • 30 = 2560 кДж/кг

4. Расчет процесса охлаждения зерна

Охлаждение высушенного зерна производится поддувкой через него наружного воздуха. При этом оно дополнительно просушивается, снижая влажность от ω2 до ω3.

Расчет охладительной камеры также основан на балансе зерна, влаги, воздуха и теплоты [1, 4].

Расход зерна после охладительной колонки определяется по формуле:

,

где ω3 - конечная влажность зерна.

Принимаем: ω3=14%.

Влага, испаренная в процессе охлаждения:

В дальнейшем для расчета процесса охлаждения удобно пользоваться I-d-диаграммой.

Из точки А проводят линии I0 = const, d0 = const. Ниже точки А в образованными этими линиями угол вписывают произвольный горизонтальный отрезок е’φ’. Из точки е’, лежащей на линии I0, проводят вертикаль, на которой откладывают отрезок е’Е’, равный по величине

Значение ?ох определяют как

где qпот - потери теплоты в охладителе, обычно по величине они не значительны 120 … 3 кДж/кг исп. влаги. В расчетах можно принять qпот = 0;

Свθ2 - теплота от влаги зерна испаренной в охладительной камере.

Qox - удельные потери теплоты зерна в охладительной камере.

qox - удельные потери теплоты зерном в охладительной камере.

  (31)

где С3 - теплоемкость зерна при влажности ω3;

Найденную на диаграмме точку Е’ соединяют с точкой А и полученную прямую АЕ’ продолжают до пересечения с изотермой Е3 = const (или на этой линии) отмечают точку С’.

Для определения удельного расхода сухого воздуха для охлаждения находят величину разности d3 - d0 равную отрезку С’D’, тогда

Часовой расход сухого воздуха на охлаждение:

  (33)

Часовой расход влажного воздуха определяется:

  (34)

где υ’0 - объем влажного газа на 1 кг сухого воздуха, м3/кг;

Согласно [1] принимаем υ’0 =0,809 м3/кг.

В результате расчетов, количество влаги, испаренной в сушильной и охладительной камерах:

 (35)

Суммарные потери теплоты зерном находим по формуле:

5. Подбор вентилятора для зерносушилки

В зависимости от сопротивления сети и конструкции сушилок применяют стандартные вентиляторы.

Сопротивление зернового слоя вычисляют по формуле:

  (36)

где tв - толщина слоя в мм, равная шагу коробов по вертикали;

υ - условная скорость воздуха, отнесенная к незаполненному сечению, м/с;

А и n - коэффициенты, зависящие от физических свойств зерна

Принимаем: А = 1,41[1], n = 1,43[1], tв=0,4м[2], υ=5м/с[1].

Полученное полное сопротивление Р пересчитывают для нормальных условий (t0 =200C, ρ = 1,2 кг/м3, В=101,3 кПа), для которых даны характеристики вентиляторов.

 (37)

где tв - температура воздуха или газа перед входом в вентилятор, 0С;

Вр - барометрическое давление, кПа.

Мощность электродвигателя вентилятора:

 (38)

где V - производительность вентилятора;

k - коэффициент запаса мощности на пусковой момент, принимаем k=1,1;

η - КПД вентилятора, определяемый по его характеристике;

ηн - КПД привода с учетом потерь в подшипниках, принимаем ηн = 0,98.

Удельные затраты электроэнергии определяют по формуле:

 (39)

где Nэi - суммарная мощность электродвигателя вентиляторов.

6. Подбор топочного блока

Расход воздуха, на который должен быть рассчитан топочный блок определяется по соотношению (24).

Максимальная теплопроизводительность определяется по формуле:

  (40)

где Св - теплоемкость воздуха, кДж/кг 0С, Св = 0,71 кДж/кг 0С;

ρв - плотность воздуха, кг/м3, ρв = 1,2 кг/м3;

t1 - максимальная температура сушильного агента на продовольственном режиме, 0С;

t0 - температура наружного воздуха, 0С, t0 =50С;

η - КПД теплообменника, η = 0,7.

Q = 1575534,7 кДж/ч

Qвп > Q

По полученному значению Qвп выбираем топочный блок, наиболее близкий по производительности. Выбираем топочный блок.

Объем барабана определяем по формуле:

Vб=Gп*τб/vм*η*60,

где Gп - паспортная производительность сушилки, кг/ч;

τб - зкспозиция сушилки, мин(τб=300 мин);

vм - насыпная плотность зерна, кг/м3;

η - коэффициент заполнения бункера (η=1).

Vб=5000*300/1*60* = м3.

Диаметр наружного корпуса принимаем по прототипу (БВ-40) Д=3085мм.

Высота сушильной камеры :

H=4* Vб/π*(Д2-d2) ,

где d - диаметр центральной трубы, мм.

8. Технологические регулировки

Для обеспечения высокого качества продовольственного и семенного зерна температура его нагрева не должна превышать допустимых значений, а отклонение не более + 20С.

Для поддержания заданного режима сушки зерна и его регулирования имеются различные приборы и устройства. Для обеспечения оптимального режима сушки в зернопроводе норм сухого зерна может быть установлен прибор КРС-З, с помощью которого в любое время может быть проконтролирована влажность выходящего из сушки зерна.

Если влажность зерна выше кондиционной, необходимо уменьшить пропускную способность разгрузочного устройства. Если же влажность зерна меньше кондиционной, пропускная способность разгрузочного устройства увеличивается. При отклонении влажности зерна от установленного значения на приборе КРС-3 высвечивается сигнал.

Температура зерна в потоке измеряется прибором, датчик которого установлен в стенке сушильной камеры со стороны отвода теплоносителя. При перегреве зерна, приводящем к его пересушке, необходимо увеличить пропускную способность разгрузочного устройства. Если при этом температура зерна превышает допустимые значения, необходимо понизить температуру теплоносителя на 10 … 150С.

Заключение

Бункерная зерносушилка СБВС-5 производительностью 5 т/ч используется для сушки продовольственного и семенного зерна высокой влажности.

В данной курсовой работе производится расчет показателей процесса сушки и охлаждения зерна пшеницы. В результате расчета были определены все составляющие баланса сушки и охлаждения материала. Рассчитаны удельные затраты теплоты и воздуха в процессе сушки и охлаждения.

В результате расчета был получен КПД сушилки η=47,39%.

Литература

1.Жидко В.И., Резников В.А., Уколов В.С. Зерносушилка и зерносушение - М.: Колос, 1982. - 239 с.

.Наймушин М.И. Методические указания к выполнению курсовой работы по сельскохозяйственным машинам по теме «Зерносушилки» - Киров: 1993.

.ГОСТ 5886-84 Зерносушилки.

.Мельник Б.Е., Малин Н.И. Справочник по сушке и активному вентилированию - М.: Колос, 1980. - 175 с.

.Сакун В.А. Сушка и активное вентилирование зерна и зеленых кормов. - М.: Колос, 1999. -176 с.

.Сергеев И.Ф. Сельскохозяйственные машины. Сборник задач. Учебное пособие для студентов вузов. - Киров, 1991. - 100 с.

.Стандарт СЭВ 6949-89 Сушилки барабанные.

.Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. - М.: Машиностроение. Т. 2