Проектирование камеры гидротермической обработки древесины

1.2.2 Определение производительности камер в условном материале

Годовая производительность камеры в уловном материале, м³/год :

где Е_у -вместимость камеры в плотных кубометрах условного материала, м³;

где Г - габаритный объем всех штабелей в камере, м³;

в_у -коэффициент объемного заполнения штабеля условным материалом;

где n - число штабелей в камере;

l,b,h - габаритная длина, ширина и высота штабеля, м;

n_у - число оборотов камеры в год при сушке условного материала, об/год,

где ф_об.у - продолжительность оборота камеры для условного материала, суток;

335 - время работы камеры в году, суток;

В итоге формула для определения П_у примет вид:

1.2.3 Определение необходимого количества камер

где ?У - общий объем условного материала, м³;

П_у- годовая производительность камеры в условном материале, м³/год.

1.2.4 Определение производственной мощности действующего лесосушильного цеха

Производственная мощность лесосушильного цеха П_цеха, м³/год, определяется по формуле:

При правильном планировании лесосушильного цеха общий годовой объем условного материала должен быть равен его производственной мощности.

1.3 Тепловой расчет камеры и цеха

Проводится с целью определения затрат тепла на сушку, расхода теплоносителя, выбора и расчета теплового оборудования камер и цеха .

Начинать тепловой расчет целесообразно с выбора расчетного материала. За расчетный материал принимаются самые быстросохнущие доски.

Я принимаю за расчетный материал самые быстросохнущие обрезные доски из спецификации породы осина сечением 19х150мм с продолжительностью сушки (ф_суш) 35,7 часов, начальная влажность 65%, конечная в связи с тем, что производство мебельное конечная влажность принимается 10%.

1.3.1 Определение массы испаряемой влаги

· Масса влаги, испаряемой из 1 м³ пиломатериалов, кг/м³

где с_о -базисная плотность расчетного материала (осины) кг/м³, с_о = 400;

W_н,W_к- начальная и конечная влажность расчетного материала соответственно, %.

· Масса влаги, испаряемой за время одного оборота камеры, кг/оборот

где Е-вместимость камеры, м³;

где Г -габаритный объем всех штабелей в камере, м³;

в_ф - коэффициент объемного заполнения штабеля расчетным материалом.

· Масса влаги, испаряемой из камеры в секунду, кг/с

где ф_{соб.сушки}- продолжительность собственно сушки, ч;

где ф_суш- продолжительность сушки расчетного материала, ч, ф_суш = 35,7;

ф_пр - продолжительность начального прогрева материала, ч, ф_пр = 3,23;

ф_{кон.вто}- продолжительность конечной влаготеплообработки, ч, ф_{кон.вто} = 1,5.

· Расчетная масса испаряемой влаги, кг/с

где k - коэффициент неравномерности скорости сушки, k = 1,3 т.к. конечная влажность меньше 12%.

1.3.2 Выбор режима сушки

Так как сушка производится до влажности в 10% а производством является мебельное то качество сушки выбирается II.

Режим при низкотемпературном режиме сушки выбирается 3-Г (из таблицы 13, стр.180).

При низкотемпературном режиме сушке с индексом Г и номером 3 находятся параметры сушильного агента:

Таблица 5 - Режим низкотемпературного процесса сушки пиломатериалов лиственных пород

1.3.3 Определение параметров агента сушки на входе в штабель

· Влажный воздух

1. Влагосодержание d₁, г/кг, определяется по формуле:

где p_п1 - парциальное давление водяного пара, Па;

где ц - относительная влажность воздуха расчетной ступени режима;

p_н1 - давление насыщенного водяного пара при расчетной температуре режима в 80 градусов, p_н1 = 47359 Па;

p_а- атмосферное давление воздуха, p_а = 10⁵ Па

2. Теплосодержание воздуха I, кДж/кг,

Плотность воздуха, кг/м³,

где T - термодинамическая температура, К, T = 273+t=273+80=353 К;

3. Предельный удельный объем, м³/кг,

1.3.4 Определение объема и массы циркулирующего агента сушки

· Определение объема циркулирующего агента сушки, м³/с,

где v_шт- заданная скорость циркуляции агента сушки через штабель, м/с;

F_{ж.сеч.шт.} - живое сечение штабеля, м²

где n - количество штабелей в плоскости перпендикулярный входу циркулирующего агента сушки; n = 2;

l,h- длина и высота штабеля, м, 6,5,3 соответственно;

в_в -коэффициент заполнения штабеля по высоте; в_в = 0,43

· Масса циркулирующего агента сушки на 1 кг испаряемой влаги, кг/кг

· Определение параметров воздуха на выходе из штабеля

I₂=I₁=779,4 кДж/кг;

1.3.5 Определение объема свежего и отработанного воздуха

· Масса свежего и отработанного воздуха на 1 кг испаряемой влаги кг/кг

где d₀ - влагосодержание свежего воздуха, гр/кг.,d₀= 12 гр/кг.

· Объем свежего воздуха поступающего в камеру, м³/с

где v_{пр 0} - приведенный удаленный объем свежего воздуха, м³/кг, v_{пр 0} = 0,87.

· Расчет приточно-вытяжных каналов камеры

Площадь поперечного сечения приточного канала, м²,

где v_кан- скорость движения свежего воздуха или отработавшего агента сушки в каналах, м/с, v_кан= 3.

Площадь поперечного сечения вытяжного канала, м²,

где V_отр- объем отработавшего агента сушки, м³/с,

Приточно-вытяжные каналы выбираются круглой формы диаметр, мм, которых находится по формуле:

Возьмем стандартное : d = 350 мм.

1.3.6 Определение расхода тепла на сушку

· Расход тепла на начальный прогрев 1 м³ древесины,

Для зимних условий, кДж/м³,

где с_w- плотность древесины расчетного материала при заданной начальной влажности W_н = 65%, с_w = 720 кг/м³;

с_б - Базисная плотность древесины расчетного материала, кг/м³,

с_б = 400;

W_н - начальная влажность расчетного материала, %, W_н = 65;

W_гж - содержание незамерзшей связанной влаги, %, W_гж = 16;

г - скрытая теплота плавления льда, г = 335 кДж/кг;

c-; c₊ - средняя удельная теплоемкость соответственно при отрицательной и положительной температуре, кДж/(кг*°C), c- =2,12, c₊ = 2,92; t₀ - начальная расчетная температура для зимних условий в городе Пенза, t₀ = -27 °C;

t_пр - температура древесины при её прогреве, t_пр = 83 °C

При определении средней удельной теплоемкости древесины средняя температура, °C, принимается равной при:

1. При отрицательной температуре (c-)

2. При положительной температуре (c₊)

Для среднегодовых условий, кДж/м³,

где t₀ - среднегодовая температура древесины, °C, t₀ = 5,5;

c₊ - средняя удельная теплоемкость при положительной температуре:

c₊ = 2,93 кДж/(кг*°C),.

· Удельный расход тепла при начальном прогреве на 1 кг испаряемой влаги, кДж/кг

Для зимних условий:

где m_1м - масса влаги, испаряемой из 1 м³ пиломатериалов, кг/м³,

m_1м = 220;

Для среднегодовых условий:

· Общий расход тепла на камеру при начальном прогреве

Для зимних условий, кВт:

Для среднегодовых условий, кВт:

где E - вместимость камеры, м³, E = 19,7;

ф_пр - продолжительность начального прогрева материала, ч, ф_пр = 3,23.

· Определение расхода тепла на испарение влаги

Удельный расход тепла на испарение влаги в камерах многократной циркуляцией при сушке воздухом, кДж/кг

где I₂ - теплосодержание воздуха на выходе из штабеля, кДж/кг, I₂ = 779,4;

I₀ - теплосодержание свежего воздуха, кДж/кг, I₀ = 46;

d₂ - влагосодержание воздуха на выходе из штабеля, г/кг, d₂ = 266,1;

d₀ - влагосодержание свежего воздуха, г/кг, d₀ =12;

c_в - удельная теплоемкость воды, кДж/(кг*°C), c_в = 4,19;

t_пр - температура нагретой влаги в древесине, °C, t_пр = 83.

Общий расход тепла на испарение влаги, кВт,

где m_р - расчетная масса испаряемой влаги, кг/с, m_р = 0,05.

· Потери тепла через ограждение камеры

1. Теплопотери через ограждение камеры в единицу времени (секунду), кВт,

Для зимних условий:

· Для для боковых стен

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 78;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°)

где a_вн - коэффициент теплоотдачи для внутренних поверхностей ограждений, Вт/(м²*C°), a_вн = 25;

a_н - коэффициент теплоотдачи для наружных поверхностей, Вт/(м²*C°), a_н = 23;

д_n - толщина слоев ограждений, м;

л_n - коэффициент теплопроводности материалов соответствующих ограждений, Вт/(м*C°);

t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий,

t₀ = -27 °C;

· Для для задней торцевой стены

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 12;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°), k = 0,481;

t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий,

t₀ = -27 °C;

· Для передней торцевой стены

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 4,3;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°), k = 0,481; t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6; t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий, t₀ = -27 °C;

· Для перекрытия

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 17,5;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°), k = 0,481;

t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий,

t₀ = -27 °C;

· Для двери

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м²; F_ог = 7,7;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°)

t_c = 78,6;

t₀ = -27 °C

· Для пола

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м²; F_ог = 33

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°)

t_c = 78,6;

t₀ = -27 °C

Для среднегодовых условий:

· Для боковых стен

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 78;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°), k = 0,481;

t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий,

t₀ = 5,5 °C;

· Для для задней торцевой стены

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 12;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°), k = 0,481;

t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий,

t₀ = 5,5 °C;

· Для передней торцевой стены

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 4,3;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°), k = 0,481;

t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий,

t₀ = 5,5 °C;

· Для перекрытия

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м², F_ог = 17,5;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°), k = 0,481;

t_c - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для зимних условий,

t₀ = 5,5 °C;

· Для двери

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м²; F_ог = 7,7;

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°)

t_c = 78,6;

t₀ = 5,5 °C;

· Для пола

где F_ог - суммарная площадь поверхностей камеры, м²; F_ог = 33

k - коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры, Вт/(м²*C°)

t_c = 78,6;

t₀ = 5,5 °C.

Таблица 6 - Расчет поверхности ограждений камеры

Таблица 7 - Расчет потерь тепла через ограждение камеры

2. Удельный расход тепла на потери через ограждение, кДж/кг,

Для зимних условий:

где m_c - масса влаги испаряемой из камеры в секунду, кг/с, m_c = 0,038.

Для среднегодовых условий:

Определение удельного расхода тепла на сушку, кДж/кг

Для зимних условий:

q_исп - удельный расход тепла на испарение влаги в камерах многократной циркуляцией при сушке воздухом, кДж/кг,

q_исп = 2536,92

q_пр - удельный расход тепла при начальном прогреве на 1 кг испаряемой влаги, кДж/кг;

c₁ - коэффициент учитывающий дополнительный расход тепла на прогрев камер, траспортных средств и оборудования, c₁ =1,1.

Для среднегодовых условий:

· Определение расхода тепла на 1 м³ расчетного материала, кДж/м³

Для среднегодовых условий:

где m_1м - Масса влаги, испаряемой из 1 м3 пиломатериалов, кг/м³, m_1м = 220.

1.3.7 Выбор типа и расчет поверхности нагрева калорифера

Для камеры УЛ-2 выбирается биметаллический калорифер. Тепловая мощность которого определяется по формуле с учетом зимних условий, кВт

где c₂ - коэффициент неучтенного расхода тепла на сушку, c₂ = 1,2;

Q_исп - общий расход тепла на испарение влаги, кВт, Q_исп = 126,84.

· Расчет поверхности нагрева калорифера, м²

где k - коэффициент теплопередачи калорифера, Вт/(м²*C°);

t_т - температура теплоносителя, t_т = 144 C°;

c₃ - коэффициент запаса, учитывающий загрязнение поверхности калорифера, c₃ = 1,2;

t_с - температура среды в камере, °C, t_c = ( t₁ + t₂)/ 2 = 78,6;

Что бы определить коэффициент теплопередачи калорифера с начало нужно определить площадь живого сечения калорифера:

где K_f - коэффициент проекции труб на площадь перпендикулярно потоку, при шаге размещения труб равным 100 мм. то K_f = 0,35

F_кан - площадь сечения канала перпендикулярная потоку воздуха в котором размещены трубы, м², F_кан = 14,6*1,4=20,44.

Затем определяется скорость агента сушки через калорифер, м/с,

Так как v_к = 3,34 то k = 19 из таблицы в 2.11[2]

Количество труб определяется как: n_тр = L/l = 14,6/1,2 = 12

где l - длина секции, м

L - Длина сушильной камеры, м.

· Количество труб или компактных калориферов:

где f_к - площадь нагрева компактного калорифера, м², f_к = n_тр * 2,95 * f_1м = 12 * 2,95 * 1,3 = 46,02

f_1м - площадь нагрева одной биметаллической трубы, м², f_1м = 1,3.

1.3.8 Определение расхода пара

· Расчет пара на 1м³ расчетного материала, кг/м³

где q_суш - суммарный удельный расход тепла на сушку для среднегодовых условий, кДж/кг, q_суш = ;

i_п - энтальпия сухого насыщенного пара при определенном давлении, кДж/кг; m_1м - масса влаги, испаряемой из 1 м³ пиломатериалов, кг/м³, m_1м = 220; i_к - энтальпия кипящей воды при том же давлении давлении, кДж/кг;

?i - разность энтальпии кипящей воды и насыщенного пара, кДж/кг, ?i = при давлении пара в калорифере p = 0,3…0,5 Мпа, ?i = 2100.

· Расход пара на камеру, кг/ч

Для зимних условий:

1. В период прогрева

где Q_пр - расход тепла при начальном прогреве, Квт, Q_пр = 476,69;

?Q_ог - сумма расхода тепла через ограждения, КВт, ?Q_ог = 11,1

c₂ - коэффициент, учитывающий учитывающий потери тепла паропроводами, кондесаторопроводами, кондесатоотводчики при необходимом воздухообмене, c₂ = 1,25.

2. В период сушки

где Q_исп - общий расход тепла на испарение влаги, кВт, Q_исп = 126,84.

Для среднегодовых условий:

1. В период прогрева

где Q_пр - расход тепла при начальном прогреве, Квт, Q_пр = 276,98;

?Q_ог - сумма расхода тепла через ограждения, КВт, ?Q_ог = 7,59

2. В период сушки

· Расход пара на сушильный цех, кг/ч

Максимальный расход пара в зимних условиях на сушильный цех, состоящий из камер:

где n_кам.пр. - число камер, в которых идет одновременно прогрев материала, n_кам.пр = (1/6) * n = (1/6) * 9 = 1,5 = 2 шт

n_{кам.суш} - остальные камеры цеха, в которых идет сушка, n_{кам.суш} = 7 шт.

· Среднегодовой расход пара на сушку всего заданного объема пиломатериалов, кг/год,

где Ф - объем фактически высушенного или подлежавшего сушке пиломатериала данного размера и породы, м³, Ф = 2900;

c_длит - коэффициент, учитывающий увеличение расхода пара при сушке пиломатериалов сохнущих медленнее расчетного материала:

Определяется c_длит в зависимости от величины отношения ф_ср.ф/ф_расч = 90,8/35,7=2,54; c_длит = 1,31

где ф_ср.ф - средневзвешанная продолжительность сушки фактических пиломатериалов, ч,

где ф_n - продолжительность сушки фактических пиломатериалов отдельно по породам и сечениям, ч;

Ф_n - годовой объем этих же пиломатериалов отдельно по породам и сечениям, м³;

ф_расч - продолжительность сушки расчетного материала, ч.

1.3.9 Определение диаметров паропроводов и кондесаторопроводов

Диаметр главной магистрали, м, в сушильном цехе:

где с_п - плотность пара, кг/м³, с_п = 2,12 при давлении пара 0,4 Мпа;

v_п - скорость движения пара, для магистралей v_п = 60 м/с.

Диаметр паропровода к коллектору камеры, м,

где P_кам.пр - расход пара на камеру для зимних условий, кг/ч, P_кам.пр = 1045,3;

v_п - скорость движения пара, v_п = 50 м/с.

Диаметр паропровода к калориферу камеры, м,

где P_{кам.суш} - расход пара на сушку для зимних условий, кг/ч, P_{кам.суш} = 295,6;

v_п - скорость движения пара, v_п = 30 м/с.

Диаметр паропровода к увлажнительным трубам, м,

где v_п - скорость движения пара, v_п = 50 м/с.

Диаметр конденсационного трубопровода от калорифера камеры, м,

где с_п - плотность конденсата, кг/м³, с_к = 925 при давлении пара 0,4 МПа;

v_к - скорость конденсата, v_п = 1 м/с.

Диаметр конденсационной магистрали, м,

где n_кам - количество камер в цехе, шт;

v_к - скорость конденсата, v_п = 1 м/с.

1.3.10 Выбор конденсатоотводчиков

В настоящее время все чаще используются компактные и надежные в работе термодинамические конденсатоотводчики типа 45ч15нж

Выбор их осуществляется по коэффициенту пропускной способности, кг/ч,

где ?p - перепад давления в конденсатоотводчике, МПа,

где p₁ - абсолютное давление пара пара перед калорифером, МПа, p₁ = 0,95p = 0,95*0,4 = 0,38;

p₂ - абсолютное давление конденсата после конденсатоотводчика, МПа,

p₂ = 0,1;

c_r - коэффициент, учитывающий снижение пропускной способности конденсатоотводчика при удалении горячего конденсата по сравнению с холодным, при ?p ? 0,2 то c_r = 0,25.

По коэффициенту k_v определяем техническую характеристику конденсатоотводчика типа 45ч15нж из таблицы 2.13[2]:

Таблица 8 Краткая характеристика конденсатоотводчика типа 45ч15нж

Примечание: условные обозначения на рисунке 2.8[2]

1.4 Аэродинамический расчет камеры

1.4.1 Методика расчета потребного напора вентилятора

Полный напор вентилятора рассчитывается как:

где h_ст - статический напор, Па

где с - средняя плотность агента сушки, кг/м³, с = 0,88;

v - скорость циркуляции агента сушки на участках системы, м/с;

l - длина участка, м;

d_эк - эквивалентный диаметр, м;

ж - коэффициент местных потерь

о - коэффициент трения о стенки каналов и воздуховодов.

Последовательность аэродинамического расчета состоит из:

1. Составление схемы циркуляции агента сушки в камере и аэродинамическая схема камеры

2. Подсчитывается суммарное сопротивление на всех участках движения агента сушки

3. Подбирается типа и номер вентилятора по соответствующей характеристике

4. Определяется теоретическая мощность вентилятора, мощность электродвигателя для привода вентилятора, по каталогу выбирается тип электродвигателя, мощность, частота вращения ротора, габаритные размеры и масса.

1. Составление схемы циркуляции агента сушки в камере и аэродинамическая схема камеры

Таблица 9 Участки циркуляции агента сушки в камере УЛ-2

2. Подсчитывается суммарное сопротивление на всех участках движения агента сушки

Для этого требуется сначала определить скорость циркуляции агента сушки и площадь сечений на участках. Находится по формуле:

где V_ц - объем циркулирующего агента сушки, м³/с, V_ц = 44,46;

f - площадь сечения канала в плоскости, м².

Участок 1 - Вентилятор

где d_вент - диаметр вентилятора, м, d_вент = 1;

n_вент - количество вентиляторов, n_вент = 6.

Участок 2;13 - Прямой участок

где h₂ = 1,4 м.

Участок 3;12 - Поворот под углом 135 градусов

Участок 4;4,1 - Калорифер

где f_{ж.сеч.кад.} - площадь живого сечения калорифера, м²;

n_кал - количество калориферов в камере, в УЛ-2 установлено 12 калориферов в расчетное берется количество калориферов равное 6 с одной стороны камеры.

Участок 5;11 - Прямой участок

где b - ширина между краем штабеля и началом стенки в нижней части, м.