Електросушарка

Електросушарка, яка складається із корпусу, в якому розташована герметично закрита дверцятами теплоізольована камера, в якій розташовані ярусами знімні сітчасті полички прямокутної форми, пластина теплообміну, з'єднана трубопрово 3 дуктів висушування 14. Нижня частина камери має виступ, під яким через теплоізольовану перегородку 23 розміщено устаткування електросушарка 11, 12, 19, 7 (див. Фіг.1). 1.3.4. Установлено, що при малих швидкостях направленого руху одного шару повітря відносно другого в закритому об'ємі камери спостерігаються їх спокійні течії, тому утворення температури відбувається повільно, оскільки сила опору і тертя незначні. Спокійні течії в'язкого середовища дістали назву Ламінарних течій. При значно більшій швидкості одного із шарів повітря відносно другого шару, з'являється завихрення повітря з хаотичним рухом вздовж шляхів переміщення як основної течії, так і другорядної. Це призводить до різкого зростання тертя між вищезгаданими шарами повітря, і разом з тим зростає сила аеродинамічного опору Fao. На межі переміщення цих шарів утворюється висока температура, що і застосовується в даному винаході. Течії в'язкого середовища при високих швидкостях руху називаються Турбострічковими течіями. Між Ламінарними і Турбострічковими течіями вчений Рейнднольс вирахував безрозмірний Критерій - числове значення якого встановлене Re=2300 (Критерій Рейнднольса), котрий застосовується при розрахунках сили опору в'язкого середовища. Сила аеродинамічного опору Турбострічкових течій в'язкого середовища визначається за формулою: rt - V 2 (2) Fao = Cx × × S(н) , де 2 rt - густина повітря при робочих умовах, кг/м3; V2 - кругова швидкість в квадраті руху колеса вентилятора, м/с; S - площа дотику при виході повітря із колеса вентилятора, м2; Сх - безрозмірний коефіцієнт, який залежить від форми виготовлення і розмірів колеса вентилятора. 1.3.5. Для вирішення технічної задачі на утворення технологічної температури і виведення вологи із камери, задаємося наступними технологічними і технічними умовами для робочих тіл, що знаходяться в камері сушарки: повітря, колесо вентилятора, полички, пластина теплообміну ПТ, продукти висушування. 1.3.5.1. Враховуючи, що колесо вентилятора розміщене в закритій камері 20 і приводиться в рух електродвигуном вентилятора 12, який розташований за межами камери, знаходимо по каталогу вентилятор із електродвигуном. Визначаємо кількість обертів за хвилину колеса вентилятора, яке рекомендується застосовувати виготовленого у формі білкового колеса, отримуємо: Кількість обертів за хвилину колеса вентилятора, n кв=Х1 (об/хв); за допомогою вимірів визначаємо діаметр і ширину колеса вентилятора, Д кв = X2 (м); Ш кв = Х3 (м). 45983 4 Визначаємо площу дотику шару повітря із колеса вентилятора (3) Sкв=Lкв×Шкв=Х4 (м2), де (4) Lкв=p×Дкв=X5 (м), де p=3,14 - коефіцієнт; Хn - результати вимірів або розрахунків, n - кількість даних. Визначаємо матеріал, з якого виготовлено колесо вентилятора і визначаємо його об'єм, масу і теплоємність: Vкв= Х6 (м3); Мкв=Х7 (кг); Скв=X8 (Дж/(кг×К)). 1.3.5.2. Визначаємо внутрішні розміри камери з урахуванням об'єму пластини теплообміну ПТ 4, колеса вентилятора 11, поличок 14, відсіку для механізмів 21 та масу і об'єм продуктів висушування: Шк= Х9 (м) - ширина, Lк=Х 10 (м) - довжина (7), Н= Х11 (м) - висота, Uк=X12 (м3) - об'єм камери: Внутрішні стінки камери обшиваються нержавіючими листами сталі амонієвих сплавів харчового призначення, товщиною d=0,3-0,6мм. Визначаємо масу внутрішньої обшивки Мо=Х 13 (кг); Теплоємність Co=X14 (Дж/(кг×К)) з урахуванням, що дверцята із внутрішньої сторони обшиваються аналогічним матеріалом. 1.3.5.3. Зовнішні розміри електросушарки розраховуються із врахуванням товщини теплоізоляційного шару навколо камери, дверцят, розташуванням в нижній частині механізмів та ємкості для збору конденсату. Зовнішню сторону можна обшивати пластинами із пластику. Об'єм ємкості розраховується в залежності від розрахованого об'єму виділення вологи від продуктів висушування. Товщина шару теплоізоляції dт=Х15 (м); площа теплоізоляції Sт=Х 16 (м2); коефіцієнт теплопровідності l= Х17 (Вт/(м×К)), див. Фіг.1. 1.3.5.4. Пластина теплообміну ПТ відводу конденсату із камери має прямокутні сторони, за виключенням нижньої частини, яка закінчується зрізом під кутом (10-15)°. Зріз пластини ПТ по всій довжині загнутий під радіусом rж³8мм в сторону об'єму камери і утворює жолобок 5. Верхня частина пластини ПТ також зігнута в сторону об'єму камери із Rпт=120-300мм, див. Фіг.1. Внутрішня частина пластини ПТ виконана із порожніми гідроізольованими проходами для рівномірної рицеркуляції охолоджуючої рідини по замкнутому контуру на всій її площі, і закріплюється на протилежній від діверок стінці камери на відстані 5-10мм. На площі всієї пластини утворюється конденсат, який стікає у жолоб, звідки направляється по трубопроводу 6 у ємкість 10. Ємкість розташована у нижній частині сушарки. Розміри пластини вираховуються в залежності від об'єму камери, об'єму продуктів висушування; з якого металу виготовлена, робочої температури в камері, температури охолоджуючої рідини, температури навколишнього середовища. Методи розрахунку холодильних установок приведені в технічній літературі з теплоенергетики. 5 Маса пластини теплообміну ПТ, Мпт=Х18 (кг); теплоємкість пластини Спт=Х 19 (Дж/(кг×К)); об'єм пластини Vпт=X20 (м3). 1.3.5.5. Полички можна виготовляти із стальних нержавіючих сіток харчового призначення. Маса всіх поличок Мп=Х21 (кг); теплоємність поличок Сп=X22 (Дж/(кг×К)); об'єм поличок Uп=X23 (м3). 1.3.5.6. Вираховуємо об'єм і масу продуктів висушування, враховуючи, що їх початкова вологість знаходиться в межах d1=(45-95)% від маси невисушеного продукту: Uпp=X25 (м3); Мпр=Х24 (кг); Маса вологи продуктів перед початком висушування визначається Мпр=Mпp×d1%=Х26 (кг); Кінцева вологість задається із розрахунку менше d2£22% від маси висушеного продукту. Маса висушеного продукту Мвис 27 (кг); об'єм Х = Uвис=X28 (м3). Теплоємкість вологи (води), що знаходиться в продуктах споживання перед висушуванням Св пр=X29 (Дж/(кг×К)). 1.3.5.7. Робочий об'єм повітря, що знаходиться в камері, служить для утворення і передачі теплоенергії всім розташованим в камері робочим тілам, вираховується за формулою: Uпoв=Uк-Uкв-Uпт-Uп-Uпp=Х30 (м3), (5) Розраховується необхідна для якісного висушування продуктів технологічна температура повітря в межах Т=(319-338)°К. 1.3.5.8. Тепловідвідна рідина (якою може бути вода) рицеркулює порожніми гідроізольованими проходами і служить для відводу тепла від пластини ПК. Вологе повітря, що рицеркулюється в камері під дією колеса вентилятора, омиває пластину ПК на всій її поверхні зі сторони дверцят камери. Потім крапельки вологи, торкнувшись охолодженої пластини ПК, осідають на ній і збираються в конденсат, який тече по пластині вниз, збирається і направляється жолобом 5 через водопровід 6 в ємність збору конденсату 10, див. Фіг.1. У зв'язку з тим, що пластина ПК знаходиться на малій відстані (5-10мм) від стінки камери, то малий перехід для повітря при рицеркуляції чинить опір, тому виділення вологи на зворотній стороні пластини ПК буде незначним. Пластина ПК неперервно поглинає тепло. Визначивши об'єм охолоджуючої рідини, яка постійно знаходиться в пластині ПК, вираховуємо її масу: Мор=Х31 (кг), її теплоємність при робочій температурі - Сор=Х32 (Дж/(кг×К)). 1.3.6. Вираховуємо величину Критерія Рейнднольса згідно п. 1,5.4. технологічних умов для визначення ефективності Турбострічкової течії по заданій круговій швидкості Vкв колеса вентилятора та його діаметра Дкв і кількістю обертів за секунду, об/с: V × S × rt , де Re ту = кв кв (6) m Vкв - кругова швидкість руху колеса вентилятора, м/с; 45983 6 Sкв - площа виходу повітря від колеса вентилятора, м2; rt - густина повітря при робочих умовах, кг/м3; m - коефіцієнт динамічної в'язкості повітря при робочих умовах, Па×с. Густину повітря при робочих умовах вираховуємо по формулі: P ×T 3 rt = r 0 0 0 = X 34 , (кг/м ) (7) P1 × T r0 - густина повітря при нормальних умовах, кг/м3; P1 - тиск повітря в камері при робочих умовах, мм.рт.ст.; T0 - температура повітря при нормальних умовах, °К; P0 - тиск повітря при нормальних умовах мм.рт.ст.; tp – температура, °C. Т - температура повітря при робочих умовах, (273+tp)°K; Для спрощення розрахунків у зв'язку з малим числовим значенням Критерію Рейднольса Re ту, не беремо до уваги незначну кількість внутрішньої енергії повітря, що рицеркулюється і утворює температуру в камері сушарки. Тоді, використавши дані п.1.3.5.1, знаходимо кругову швидкість колеса вентилятора за секунду: (8) Vкв=p×Дкв×Nкв/60=Х35 (м/с), Підставляємо отримані результати вичислення формул (7) і (8) у формулу (6), отримуємо величину числа Критерія Рейнднольса при заданих технічних умовах: Reту³4×2300³9200 (9) Якщо при розрахунках величина Критерія Рейнднольса Re ту буде меншою від величини 9 200, необхідно збільшити кількість обертів, або діаметр колеса вентилятора, оскільки при значеннях Re ту більше 9 200, інтенсивність утвореної температури між шарами зростає. Величиною Критерія Рейнднольдса Re враховуються також сили аеродинамічного опору, що виникає в результаті тертя шарів повітря зі стінками колеса вентилятора і стінками самої камери. 1.3.7. Отримавши задовільну кругову швидкість Vкв колеса вентилятора, що вирахована із Критерія Рейнднольдса Re ту (9), розрахуємо величину сили аеродинамічного опору Fao py при робочих умовах із формули (8) по формулі (2), яка діє протягом однієї секунди: Fаору=Х36 (н); (10) 1.3.8. При виконанні обертів колеса вентилятора, необхідно прикладати зовнішню силу F3, яка по своїй величині має бути більшою від суми сил аеродинамічного опору Fаоpy і сили механічного опору Fм на шляху здійсненого колесом вентилятора протягом секунди. Тоді пройдений шлях при круговій швидкості колеса вентилятора вираховуємо: (11) Lквс=Vквс×tс= Х37 (м), де tс - час, с; Зовнішня сила, яка приводить в рух колесо вентилятора, визначається із формули (10). 7 Fao ру = X38 (н) , де (12) h h - коефіцієнт корисної дії вентилятора, який враховує механічну силу опору, Fм. При дії зовнішньої сили F3=X38 (формула (12)) на колесо вентилятора, яке при круговій швидкості Vкв=Х38 (м/с) (формула (8)), проходить шлях, рівний Lквс=Х 37 (м) (формула (11)), буде виконуватися робота А, яка згідно закону термодинаміки повністю переходить в теплоту, тобто А=F3×Lкв=Х39(КДж)=Q(КДж); (13) 1.3.9. Теплоенергія, яка утворюється між шарами повітря під дією роботи колеса вентилятора витрачається на нагрівання кожного робочого тіла, перерахованого п.1.3.5, що знаходиться в камері електросушарки. Згідно основного закону термодинаміки вирахуємо величину затрат теплоенергії: Qрт=Мрт×Срт (T2–T1)=Xn(КДж), де (14) Мрт - відповідна маса робочого тіла, п.п. (1.4.4.1-1.4.4.8.), кг; Срт - відповідна теплоємність робочого тіла при робочій температурі T2, п.п. (1.3.5.1 – 1.3.5.8.),(Дж/(кг×К)); T2 - робоча температура в камері, °К; Т1 - початкова температура робочих тіл, розташованих в камері, °К; Xn - фактичні витрати розрахованої кількості теплоенергії на нагрів окремих робочих тіл, КДж. 1.3.10. Витрати теплоенергії, яка випромінюється через стінки та дверцята камери залежать від коефіцієнта теплопровідності ізоляційного шару, площі, через яку випромінюється теплоенергія, температури в камері та навколишнього середовища і вираховуються: l × S ст × t(Т1 - Т 2 ) Q ст = = Хст(КДж), де (15) d Q ст - теплоенергія, яка випромінюється в навколишнє середовище через стінки камери, (КДж); l - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×°К); Sст - площа випромінювання теплоенергії через стінки, м2; t - термін випромінювання, с; Т1 - технологічна температура всередині камери, °К; T2 - температура навколишнього середовища, °К; d - товщина шару ізоляції, м; Хст - розрахункові витрати теплоенергії через F3 = стінки камери, КДж. Загальні витрати теплоенергії при досягненні в камері заданої технологічної температури становить в сумі витрат теплоенергії на кожне окреме робоче тіло і витрат теплоенергії через стінки камери, з находимо: Qз=SQpт+Qcт=Х40 (КДж) (16) За одну годину роботи колеса вентилятора утворюється теплоенергія, яка іде на нагрівання робочих тіл. Використовуючи формули (11), (13), отримаємо: Qгод=F3×Lкв×tгод=Fз×Lкв×3600с=X41 (КДж), (17) де tгод - термін в одну годину. 45983 8 Вираховуємо за який термін під дією зовнішньої сили F3 колесо вентилятора утворить кількість теплоенергії Qз, формула (16), в камері електросушарки при заданій технологічній температурі продуктів висушування протягом години: Q3 t утв = = X 41 (год), (18) Q год Якщо термін часу, отриманий згідно формули (18) досить тривалий, виконуємо повторний розрахунок, збільшуючи кількість обертів колеса вентилятора, його діаметр, або зменшуємо витрати теплоенергії для нагрівання робочих тіл. 1.3.11. Вирахуємо, скільки теплоенергії потрібно витратити, щоб від продуктів сушіння випарити вологу, масою Мв один кілограм, по формулі: 1000(q 2 - q1) Q вип(кг ) = = X вип (Кдж)/кг, (19) d2 - d1 де q2 - питома теплота випару вологи при робочій температурі продуктів висушування, КДж/кг; q1 - питома теплота випару вологи при початковій температурі продуктів висушування, КДж/кг; d2 - кількість вологи у відсотках продуктів висушування, в кінці висушування, %; d1 - кількість вологи у відсотках в продуктах висушування, перед початком висушування, %; Загальна кількість теплоенергії, необхідної для випару всієї вологи Мв, до заданої величини у відсотках по масі продуктів висушування, вираховується по результатах формули (19). Qвип=Qвип×Мв=Хвип (КДж), де (20) Мв – маса (кг) вологи у відсотках від маси продукту, призначеного для висушування, кг; У зв'язку з тим, що протягом терміну tутв формула (18) всі робочі тіла нагрівалися до заданої технологічної температури, то часткове випаровування вологи від продуктів висушування п. 1.3.5.6. вже відбувалося, формула (16). Кількість остаточної теплоенергії, яку треба витратити, щоб завершити цикл висушування продуктів споживання згідно формули (14) та (20) вираховуємо: Qовип=Овип-Qpt=Ховип (КДж) (21) Вирахуємо термін часу, необхідний для закінчення робочого циклу випару остаточної вологи до заданої величини вологості d2 з формули (17), (21): Q o вип t3 = = Xз (22) Qгод Якщо термін часу t3 для завершення циклу висушування продуктів споживання до заданої вологості не задовольняє, знову виконуємо перерахунок, розпочинаючи із п. 1.5.5. 1.3.12. У зв'язку із підвищенням температури повітря в камері до заданої величини та нагріванні продуктів споживання, з яких випаровується волога, може збільшуватися незначний надлишковий тиск в самій камері електросушарки. Для зменшення надлишкового тиску передбачений необхідний отвір трубопроводу діаметром, не менше 8мм, через який виходить не тільки конденсат від жолоба пластини ПК в ємкість для збору вологи (див. Фіг.1), а також і частина повітря 9 надлишкового тиску, що не впливає на технологічний цикл процесу висушування. Таким чином автоматично в камері буде підтримуватися тиск навколишнього середовища. 1.3.13. Потужність електродвигуна 12 для приводу колеса вентилятора 11 розраховуємо, використовуючи формулу (13). Виходячи з того, що протягом години tгод=1год виконується робота А год (КДж) під дією сили F3 (12) на шляху L (11), враховуючи, що 1 Дж = 0,239 кал, а 860 кал = 1 КВт×тод, отримаємо: (23) А(год)=Q(год)=F3×Lкв×3600=Х42 (КВт×г) Тоді потужність електродвигуна вираховуємо А (год) Nел.дв = = Х 43КВт (24) hел.дв × tг h - коефіцієнт корисної дії двигуна; По каталогу вибираємо електродвигун з потужністю, вирахуваною за формулою (24) кількістю обертів за хвилину (8), що співпадають із розрахунковими, або значеннями трохи вищими за розрахункові. 1.3.14. Принципова електрична схема управління процесом висушування продуктів споживання в сушарці показано на Фіг.2. Робоча напруга електричної мережі становить 220-380Вольт. Робота електричної схеми заключається в тому, що коли продукти висушування розташовані на поличках камери електросушарки, підключаємо до електричної мережі електросушарку, тоді загорається сигнальна лампа червоного кольору Л1. При виключенні автоматичного вимикача, загорається сигнальна лампа зеленого кольору Л2. При натисканні від руки на кнопку П1 (пуск), котушка електромагнітного пускача отримує напругу і замикає свої контакти К1, тоді кнопка П1 блокується контактом К1 і другими контактами К1, включається в роботу електродвигун вентилятора охолодження радіатора М2 і електродвигун насоса М3. Термореле розташоване не верхній частині дверцят камери електросушарки разом із сигнальними лампами та кнопками управління і блоками управління 22, Фіг.1. Якщо температура в камері електросушарки менша заданого значення, термореле Е1 своїм механічним контактом Е1-1 включає в роботу котушку пускача К2. Котушка К2, отримавши напругу, блокує механічний контакт термореле Е1 і своїми контактами К2 включає електродвигун колеса вентилятора M1 в роботу. При досягненні заданої температури термореле своїм механічним контактом К1-2 розмикає електропостачання на котушку 45983 10 К2, тоді електродвигун M1 зупиняється. Таким чином цикл повторюється у автоматичному режимі. Для захисту електродвигунів від перегріву служить автоматичний вимикач А1. Перелік фігур. Фіг.1 1 - корпус; 2 - теплоізоляційний шар; 3 - дверка; 4 - пластина теплообміну ПТ; 5 - жолобок для збору конденсату; 6 - трубопровід відводу конденсату; 7 - трубопроводи системи охолодження пластини ПК; 8 - корпус вентилятора охолодження радіатора; 9 - радіатор; 10 - ємкість збору конденсату; 11 - колесо вентилятора утворення температури; 12 - електродвигун вентилятора утворення температури; 13 - прокладка ущільнення дверок електросушарки; 14 - полички; 15 - електронасос; 16 - захисна сітка колеса вентилятора; 17 - конусна виїмка для розміщення колеса вентилятора; 18 - захисна сітка; 19 - електродвигун вентилятора охолодження радіатора; 20 - камера електросушарки; 21 - відсік для розміщення обладнання; 22 блок управління електричною схемою; 23 - перегородка. Фіг.2 Принципова електрична схема управління процесом продуктів висушування в електросушарці. М1 - електродвигун вентилятора утворення температури; М2 - електродвигун вентилятора охолодження радіатора; М3 - електродвигун насоса; А1 - автоматичний вимикач; Л1, Л2 - сигнальні лампи; П1 - пускова кнопка; П2 - кнопка остановки; К1 - котушка пускача; К1 - контакт пускача; Е1-1 контакт термореле; Е1-2 - контакт термореле; К2 котушка пускача; К1, К2 - контакти пускача; R1, R2 - транзистор. Список використаної літератури: 1. Б.Т. Кумеков, М.Г. Маханько, Л.Д. Штейнберг. Основы теплоэнергетики - Москва: Транспорт, 1984. 2. В.Н. Кокшареєв, А.А. Кучеренко. Тепловые установки, Киев «Высшая школа», 1990. 3. Г.Я. Мякишев, Б.В. Буховцев. Фізика 10 кл. Київ. «Радянська школа», 1992. 4. Под редакцией Б.М. Голубкова. Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий. Москва «Энергия». 1979. 5. М.Б. Богуславський, К.П. Широков. Международная система единиц С.И. Москва. 1968. 6. A.M. Ицкович. Основы теплотехники. Москва. «Высшая школа». 1975. 11 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 45983 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601