Анализ теплового баланса зерносушилок

23.06.2015

Расход теплоты ΣQ (кДж/ч) в зерносушилке можно представить суммой

Одновременно суммарный расход теплоты (кДж/ч)

Степень совершенства любой тепловой установки, в частности сушильной, оценивается ее энергетическим КПД (иногда его называют термическим КПД), который представляет собой отношение полезно использованной энергии (теплоты) ко всей затраченной.
Для зерносушилок с учетом КПД топки термический КПД определяется из отношения

Анализ этого выражения показывает, что для увеличения ηc и, следовательно, снижения затрат теплоты на сушку необходимо увеличить долю затрат теплоты на испарение влаги Q1 и уменьшить значения остальных составляющих, входящих в ΣQ.
Рассмотрим, из чего складываются статьи затрат и потерь теплоты.
1. Затраты теплоты на испарение влаги (кДж/кг)

С другой стороны, затраты теплоты на испарение влаги (кДж/ч)

Фактически величина Δr показывает, насколько труднее идет испарение влаги зерна по сравнению с чистой водой, испаряемой с открытой поверхности. Значение Δr в значительной степени зависит от последовательности и сочетания технологических приемов, используемых для обезвоживания зерна. При использовании более совершенной технологии значение Δr может быть сведено к нулю.
Снижение величины Δr не влечет за собой уменьшение термического КПД (ηc), а, наоборот, способствует его увеличению, поскольку эта теплота затрачивается на испарение дополнительного количества влаги и, следовательно, значение величины Q1 в выражениях (3.3) и (3.5) при снижении Δr не уменьшается. Правда, этого из упомянутых выражений не видно.

Таким образом, приведенный расчет подтвердил, что в результате снижения Δr значение Q1 остается на прежнем уровне за счет увеличения количества испарившейся влаги и, следовательно, увеличения производительности зерносушилки.
Этот же расчет показал и несовершенство термического КПД как показателя эффективности теплоиспользующих установок.

Таким образом, проведенный анализ показал, что снижения удельных затрат теплоты на испарение влаги можно достичь за счет более совершенной технологии и поддержания в процессе обезвоживания зерна более высоких значений температуры (разумеется, в пределах допустимого).
Одновременно этот анализ показал, что для повышения эффективности использования зерносушилок совсем необязательно увеличивать Q1. Более того, имеет смысл одновременно снизить Q1 и ΣQ.
Если обратиться к выражению (3.5), нетрудно заметить, что величина Q1 зависит не только от r и Δr, но и от количества испарившейся в процессе сушки влаги. Последняя в значительной степени зависит от конечной влажности подвергаемого сушке зерна.
Значение Q1 особенно возрастает при пересушивании зерна. Следовательно, еще одним из путей снижения затрат теплоты на сушку является организация контроля влажности и автоматического регулирования заданного значения влажности просушенного зерна.
Приравняв правые стороны выражений (3.4) и (3.5), подставив в них составляющие и преобразовав их относительно Δr (кДж/кг вл), получим выражение

Анализ выражения (3.6) позволяет сделать вывод, что составляющими удельной теплоты, затрачиваемой на преодоление внутреннего сопротивления влагопереносу при сушке, являются температура отработавшего агента сушки t', а также исходная и средняя температура зерна в процессе сушки. Одновременно это выражение является прямым подтверждением того, что удаление прочносвязанной влаги требует использования более высокотемпературного агента сушки и нагрева зерна до предельно допустимых значений (более высоким значениям Δr должны соответствовать большие значения θ, в свою очередь последнее невозможно без использования высокотемпературного агента сушки).
2. Потери теплоты на нагрев зерна (кДж/ч)

Из выражения (3.7) видно, что чем выше значение θ2, тем больше величина Q2. Следовательно, если использовать это выражение, напрашивается вывод о необходимости снижения величины θ2. Вместе с тем, как было показано выше, чем выше температура зерна, тем меньше удельные затраты теплоты на испарение влаги. Кроме того, из теории сушки известно, что с повышением температуры зерна возрастает значение коэффициента диффузии влаги и, следовательно, процесс сушки существенно интенсифицируется при одновременном сокращении затрат теплоты.
Следует учитывать и тот факт, что охлаждение нагретого зерна в шахте окончательного охлаждения сопровождается испарением дополнительного количества влаги. Причем чем выше начальное значение температуры зерна (θ2) перед охлаждением, тем больше испаряется влаги.
С учетом вышеизложенного при анализе статей, составляющих затраты теплоты в сушилке, потери теплоты на нагрев зерна (кДж/ч) более правильно определять из выражения

Анализ выражения (3.8) показывает, что снижения потерь теплоты на нагрев зерна можно добиться путем повышения эффективности работы охладительных камер зерносушилок, т.е. чтобы разница температур между охлажденным зерном и его начальной температурой была минимальной. Последнее требование диктуется еще и тем, что хранение не охлажденного до температуры окружающей среды зерна сопровождается явлением самоиспарения влаги за счет скрытой теплоты парообразования, а это не исключает возможности явления самосогревания и требует дополнительных затрат, связанных с активным вентилированием такого зерна.
3. Потери теплоты с отходящими газами (отработавшим агентом сушки) (кДж/ч)

Энтальпия влажного воздуха (и агента сушки)(кДж/кг):

Подставив значения всех составляющих в выражение (3.10), получим (кДж/кг)

В свою очередь, подставив (3.11) в выражение (3.9), после преобразования получим

Анализируя это выражение, можно сделать вывод о том, что для снижения потерь теплоты с отработавшим агентом сушки следует снизить его температуру t2 и начальное влагосодержание d0. Ho, несомненно, наиболее весомый вклад в сокращение потерь дает снижение температуры отработавшего агента сушки, поскольку для действующих типов зерносушилок разность (d1—d0) по существу незначительна.
Вместе с тем, если исходить из того, что отработавший агент сушки должен выносить из сушилки как можно большее количество влаги, то имеет смысл повысить его температуру, так как чем выше температура влажного воздуха, тем выше его влагоемкость и, следовательно, тем выше его влагосодержание при одной и той же относительной влажности.
Устранить это противоречие можно лишь на основе выбора рационального соотношения расхода L агента сушки, температуры t2 и относительной влажности φ2 отработавшего агента сушки. Ho несомненной должна быть тенденция снижения температуры t2 при одновременном повышении φ2.
Еще одним из вариантов сокращения этой статьи потерь является повторное использование теплоты отработавшего агента сушки.
4. Потери теплоты в окружающую среду (кДж/ч)

Величину ΣF подсчитывают для каждого узла или зоны сушки отдельно. При подсчете ΣF для шахтных прямоточных и рециркуляционных зерносушилок в расчет не принимают: поверхности стен со стороны подвода агента сушки и отвода отработавших газов, поскольку температура последних достигает 40...55 °С; поверхность верхнего перекрытия напорной камеры первой зоны сушки (уходящая теплота идет на нагрев зерна, находящегося в надсушильном бункере); поверхность верхнего перекрытия напорной камеры второй и третьей зон сушки. В последнем случае поверхность нижнего перекрытия учитывается.
Коэффициент теплопередачи [Вт/(м2*К)]:

Анализ выражений (3.13) и (3.14) показывает, что снижения потерь теплоты в окружающую среду можно достичь путем уменьшения поверхности ΣF, снижения коэффициентов теплоотдачи (особенно α2) и надлежащей теплоизоляции.
5. Потери на нагрев транспортных средств. По существу к этой же статье потерь теплоты следует отнести и потери на нагрев транспортных средств, используемых для перемещения зерна в рециркуляционных и последовательно установленных шахтных прямоточных зерносушилках. Правда, этот нагрев осуществляется за счет теплоты нагретого зерна, т.е. нагретое зерно, соприкасаясь с рабочими органами транспортирующих устройств, отдает им часть своей теплоты.
Допустим, что зерно не меняет свою влажность и, следовательно, его удельная теплоемкость (с) при этом не меняется, тогда потери теплоты (кДж/ч) на нагрев транспортных средств

Анализ выражения (3.15) показывает, что добиться снижения потерь Q5 можно лишь уменьшением G, чего можно достичь в результате использования более совершенной технологии (например, при интенсивной сушке и, как следствие, при уменьшении массы рециркулируемого зерна и т.п.).
6. Потери теплоты на неполное сгорание топлива от механического и химического недожога. Величину потерь теплоты (кДж/ч) приближенно можно определить из выражения

По существу КПД топки (ηт) характеризует степень совершенства конструкции топки и процесса горения одновременно. Кроме того, он определяет долю тепловых потерь в окружающую среду, которые сопровождают процесс горения.
Таким образом, совершенствование процесса сжигания топлива и конструкции топки влечет за собой повышение ηт и, следовательно, уменьшение величины Q6 (и Q4т).