Научная статья на тему 'Рекомендации по усовершенствованию практического применения в учебном процессе графоаналитического метода расчета конвективных сушилок'

Рекомендации по усовершенствованию практического применения в учебном процессе графоаналитического метода расчета конвективных сушилок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
129
38
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Д Г. Калишук, Н П. Саевич

Дан анализ сущности аналитического и графоаналитического методов расчета конвективных сушилок. Представлен критический обзор изложения этих методов в научной и учебной литературе. Описан алгоритм графоаналитического метода, упрощающий его практическое применение и позволяющий выполнить графические построения с большей точностью. Отмечено лучшее усвоение студентами усовершенствованного алгоритма графоаналитического метода.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Recommendations for improving the practical application in the educational process graphical method of calculation of convective dryers

The analysis of the essence of the analytical methods and graph-analytical calculation of convective dryers. A critical review of the presentation of these techniques in scientific and educational literature. An algorithm for graph-analytical method, which simplifies its practical application, and allows you to run graphical representations with greater accuracy. Was noted better help students to understand advanced algorithm graph-analytical method.

Текст научной работы на тему «Рекомендации по усовершенствованию практического применения в учебном процессе графоаналитического метода расчета конвективных сушилок»

УДК 66.47:378.147.88

Д. Г. Калишук, кандидат технических наук, доцент (БГТУ);

Н. П. Саевич, кандидат технических наук, старший преподаватель (БГТУ)

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА РАСЧЕТА КОНВЕКТИВНЫХ СУШИЛОК

Дан анализ сущности аналитического и графоаналитического методов расчета конвективных сушилок. Представлен критический обзор изложения этих методов в научной и учебной литературе. Описан алгоритм графоаналитического метода, упрощающий его практическое применение и позволяющий выполнить графические построения с большей точностью. Отмечено лучшее усвоение студентами усовершенствованного алгоритма графоаналитического метода.

The analysis of the essence of the analytical methods and graph-analytical calculation of convective dryers. A critical review of the presentation of these techniques in scientific and educational literature. An algorithm for graph-analytical method, which simplifies its practical application, and allows you to run graphical representations with greater accuracy. Was noted better help students to understand advanced algorithm graph-analytical method.

Введение. Глобальной задачей учебного процесса в учреждениях высшего образования является получение его выпускником комплекса знаний, умений и навыков, соответствующих требованиям образовательного стандарта по специальности. Этот комплекс знаний, умений и навыков требует изучения и усвоения ряда дисциплин, предусмотренных учебным планом. При изучении отдельных дисциплин студенту необходимо в первую очередь глубоко и четко овладеть наиболее важными темами и вопросами. При подготовке инженеров-химиков-технологов, инженеров-химиков-экологов, инженеров-механиков специализации «Машины и аппараты химических производств» и некоторых других базовой специальной дисциплиной является «Процессы и аппараты химической технологии (химических производств)». Тема «Термическая сушка» данной дисциплины относится к числу наиболее значимых. При изучении указанной темы рассматриваются вопросы теории процесса, его аппаратурно-технологического оформления, а также расчета, моделирования и оптимизации сушильных установок и аппаратов. При расчетах сушильных установок любого типа, в том числе конвективных, подлежат определению расходы сушильного агента (газовой фазы, с помощью которой от высушиваемого материала отводится испаренная влага) Ь, кг/с, и тепла на проведение процесса Q, Вт. С использованием значений указанных параметров для конвективных сушилок ведется расчет размеров активной зоны аппарата (сушильной камеры), подбирается и рассчитывается вспомогательное оборудование (топки при сушке топочными газами, калориферы при сушке воздухом, вентиляторы, дымососы, газоочистные устройства и т. д.), рассчитываются показатели энергетической эффективности. Определение значения ^ и х2

осуществляют при совместном решении уравнений материального и теплового баланса по методике, разработанной и опубликованной профессором Рамзиным Л. К. в 1930 г. [1]. Изложение методики профессора Рамзи-на Л. К., как правило, в усеченном объеме, вошло в большинство классических монографий по сушке, а также учебников, учебных пособий и справочной литературы по процессам и аппаратам химической технологии, теплотехническим агрегатам и установкам, промышленной теплотехнике [2-20]. Данная методика и на сегодняшний день не потеряла своей актуальности и отражена в современных справочниках, учебниках, монографиях и пособиях, примерами которых могут служить издания [21-25].

Основная часть. Рамзиным Л. К. предложены аналитический и графоаналитический методы расчета. Ниже приведено краткое изложение основных положений этих методов для наименее сложного варианта организации сушильного процесса, получившего в научно-технической литературе наименование простого. При простом сушильном варианте предусмотрен однократный, без частичной рециркуляции, проход сушильного агента через сушильную камеру. Нагрев сушильного агента при этом осуществляется однократно перед подачей в сушильную камеру, а распределенный ввод его в камеру отсутствует.

При расчетах с использованием как аналитического, так и графоаналитического метода базовой является следующая система уравнений:

L =-

W

д = ———

(1)

2 Х1

Х2 X1

е=ь ^ - J0), (3)

где Ж - расход влаги, удаляемой при сушке, кг/с; х2 и I] - влагосодержание сушильного агента на выходе из сушильной камеры и на входе в нее соответственно, кг влаги/кг сушильного агента; А - удельные потери тепла при сушке, Дж/кг влаги; Jl и J2 - удельные энтальпии сушильного агента на входе в сушильную камеру и на выходе из нее соответственно, Дж/кг; J0 - удельная энтальпия сушильного агента на входе его в калорифер (топку) сушильной установки, Дж/кг.

Величины II, х2, J0, Jl, J2 приведены в расчете на 1 кг сухого сушильного агента. Значение А рассчитывают по уравнению

А=Чпот + Чмат + Чтр "Чвл , (4)

где дпот, дмат и дтр - удельные потери тепла от ограждающих конструкций сушильной камеры в окружающую среду, удельные потери его с материалом и транспортными устройствами соответственно, Дж/кг влаги; двл - удельное количество тепла, внесенного в сушильную камеру влагой, поступившей с исходным материалом и удаленной впоследствии из него при сушке, Дж/кг влаги.

Величину дпот обычно принимают в долях от удельного тепла, израсходованного в сушилке непосредственно на испарение влаги. Значения дмат, ^тр, Чвл рассчитывают следующим образом:

Чмат = ЖСк (»2 "»1 ); (5)

Чтр = ЖСтр (»2-»1); (6)

Чвл = Свл»^ (7)

где Gк и Gтp - расходы высушенного материала и транспортных устройств соответственно, кг/с; ск, стр и свл - удельные теплоемкости высушенного материала, транспортных устройств и влаги соответственно, Дж/(кг • °С); »2 и »1 - температуры материала на выходе и входе в сушилку соответственно,°С.

При проведении расчетов задаются, основываясь на практических знаниях, одним из параметров сушильного агента на выходе из сушильной камеры: температурой 12, °С, или относительной влажностью ф2. Но даже при дополнении системы уравнений (1-7) зависимостями, устанавливающими взаимосвязь удельной энтальпии сушильного агента на выходе его из сушильной камеры J2 с температурой ¿2 или относительной влажностью ф2, ана-

литическое решение невозможно без применения метода последовательных приближений. Это обусловлено одновременной взаимосвязью искомых величин J2 и х2 друг с другом, а также с ¿2 и ф2. Число неизвестных в системе уравнений всегда превышает число уравнений в ней.

Алгоритм аналитического расчета весьма сложен, а сам расчет обладает высокой трудоемкостью. Поэтому в учебниках, а также на лекциях по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» аналитический метод излагается на уровне основных рекомендаций к использованию. По указанным причинам, а также из-за необходимости больших затрат времени он не может быть изучен и освоен студентами во время практических и самостоятельных занятий. Поэтому на лекциях излагается и на практических занятиях и при курсовом проектировании закрепляется графоаналитический метод расчета конвективных сушилок как более простой и менее трудоемкий.

Графоаналитический метод, как и аналитический, основан на использовании системы уравнений (1-7). Но при его использовании истинные значения величин J2 и х2 определяются методом приближений графически по диаграмме состояния влажного воздуха (I - х-диаграмме, диаграмме Рамзина). Указанная диаграмма разработана Рамзиным Л. К. в 1918 г. и дает взаимосвязь параметров влажного воздуха: температуры I, относительной влажности ф, удельной энтальпии J, влагосо-держания х, парциального давления паров влаги рп, температур точки росы Ц и мокрого термометра ¿мт. При использовании графоаналитического метода Рамзиным Л. К. введено понятие теоретической сушилки (адиабатной, идеальной). Для идеальной сушилки дпот = Чмат = Чтр = = чвл = 0, а следовательно, и А = 0. В таком случае согласно уравнению (2) J2 = J1 т. е. удельная энтальпия сушильного агента в сушильной камере не изменяется, несмотря на падение его температуры. Принимается, что тепло, выделяющееся при охлаждении сушильного агента, расходуется только на испарение влаги. Соответственно, оно возвращается сушильному агенту в эквивалентном количестве с парами влаги.

В работе Рамзина Л. К. [1] подробно описаны процедуры графоаналитического метода. Им дано теоретическое обоснование по физическим принципам процессов изменения параметров влажного сушильного агента, отображаемых на J - х-диаграмме. При этом доказана адекватность предлагаемых геометрических построений и измерений указанным физическим принципам. Однако материал статьи сложен для восприятия человеку, не имеющему специальных научных знаний. Кроме того,

с точки зрения авторов, Рамзиным Л. К. предлагается выполнить некоторые действия, не представляющие ценности при практическом применении графоаналитического метода. К ним, в частности, относится построение определенных отрезков на диаграмме с последующим масштабированием. Их функция - продемонстрировать корректность, действенность метода, что вполне обоснованно для научной работы. В примере в статье не совсем удачно показана точка для выполнения первой итерации - произвольно выбранного для первого приближения влагосодержания х, так как при этом не обеспечивается максимально возможная точность построений на диаграмме.

В учебниках, справочниках, монографиях, пособиях графоаналитический метод изложен в усеченном по сравнению с авторским вариантом виде. Вследствие этого успешное восприятие его, как правило, затруднено, особенно при изучении студентами. Кроме того, в ряде книг при изложении метода допущены неточности. Данное заключение сделано авторами на основании анализа и изучения более ста книг, в которых рассматриваются вопросы сушки, и многолетнего опыта преподавания дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии».

Нами предлагается проводить графоаналитический расчет конвективных сушилок в следующей последовательности:

1) рассчитать Ж по уравнениям материального баланса по высушиваемому материалу;

2) выбрать для сушильного агента на входе в сушильную камеру его температуру ¿1 (исходя из свойств высушиваемого материала и др. показателей), определить для него Jl и х1;

3) задаться для сушильного агента, покидающего сушильную камеру, значением ф или ¿2;

4) нанести на J - х-диаграмму точку В с координатами Jl и х1 (см. рисунок);

5) отобразить на J - х-диаграмме отрезок ВС, совпадающий на ней с линией значений удельной энтальпии J1 - рабочую линию теоретической сушилки (в примере на рисунке точка С на изотерме ¿2, т. е. по п. 3 принята ¿2);

6) произвести расчет значений дп0т, дмат, дтр, двл и А, используя уравнения (4-7);

7) определить на J - х-диаграмме значение влагосодержания х2 как одну из координат точки С (влагосодержание сушильного агента на выходе из теоретической сушилки);

8) в уравнении (2) х2 и J2 заменить на х2 и J' соответственно, рассчитать величину удельной энтальпии J', соответствующую х2;

9) на J — х -диаграмме нанести точку Е с координатами х2 и J', затем соединить точки В и Е отрезком прямой;

10) отметить точку С - точку пересечения отрезка ВЕ' с изотермой ¿2 (при этом получен отрезок ВС - рабочая линия действительной сушилки; согласно обоснованиям Рамзина Л. К. [1], изменение параметров сушильного агента в действительной сушилке описывается совокупностью точек, лежащих на отрезке ВЕ );

11) для точки С определить координаты J2 и х2, т. е. таким образом определяются параметры сушильного агента на выходе из сушильной камеры;

12) подставить в уравнение (2) значение х2, полученное в результате действий по предыдущему пункту, рассчитать с целью проверки точности J2;

13) сравнить сходимость значений J2, определенных при выполнении п. 11 и 12 настоящего алгоритма.

J В^ ^ ¿1

J2 I СС| ^ ф =

/ -1-1 — |\ 1 1 1 1 1 1

х1 х2 х2' х

К определению параметров сушильного агента на выходе из сушилки

При выполнении действий по описанному выше алгоритму число расчетных и графических процедур, по сравнению с изложенным в статье [1], снижается. Это достигается за счет того, что исключаются построения на J - х-диаграмме ряда отрезков, их измерение и масштабирование. При этом корректность конечных результатов не снижается. Кроме того при использовании наших рекомендаций точность построений, а следовательно, и расчетов повышается. Это обусловлено более точным отображением отрезка, частью которого является рабочая линия действительной сушилки (см. рекомендации по определению х2, п. 7 алгоритма).

Качество усвоения студентами графоаналитического метода расчета конвективных сушилок в наибольшей мере оценивается преподава-

телем в ходе курсового проектирования. После внедрения наших усовершенствований метода в учебный процесс отмечено, что объем консультативной помощи студентам по указанному вопросу снизился примерно вдвое. При этом качество выполненных студентами расчетов повысилось.

Выводы. Применение усовершенствований графоаналитического метода расчета конвективных сушилок в учебном процессе повышает его усвоение и качество использования при проведении практических расчетов. При этом повышается точность результатов, получаемых при выполнении графических процедур. Данные усовершенствования метода также рекомендуются к практическому применению в инженерной деятельности при технологическом проектировании конвективных сушилок.

Литература

1. Рамзин Л. К., Лурье М. Ю. Расчет сушилок и J - ^-диаграмма. Способ построения J - d-диаграммы и вспомогательные таблицы для влажного воздуха. М.: Из-во ВТИ, 1930. 48 с.

2. Лурье М. Ю. Сушильное дело. М.: Гос-энергоиздат, 1948. 711 с.

3. Филоненко Г. К., Лебедев П. Д. Сушильные установки. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952. 264 с.

4. Лыков М. В. Сушка распылением. М.: Пищепромиздат, 1955. 203 с.

5. Теплотехнический справочник. В 2-х т. Т. 2. / под общ. ред. С. Г. Герасимова. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957. 672 с.

6. Лебедев П. Д. Расчет и проектирование сушильных установок. М.: Госэнергоиздат, 1963. 319 с.

7. Тепловые расчеты печей и сушилок силикатной промышленности / под ред. Д. Б. Гинзбурга, В. Н. Зилина. М.: Стройиздат, 1964. 495 с.

8. Левченко П. В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. М.: Высшая школа, 1968. 367 с.

9. Романков П. Г., Рашковская И. Б. Сушка во взвешенном состоянии. М.: Химия, 1968. 358 с.

10. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968. 848 с.

11. Лыков М. В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970. 429 с.

12. Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий / Б. Н. Голубков [и др.]. М.: Энергия,

1972. 424 с.

13. Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М.: Энергия, 1972.320 с.

14. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия,

1973. 750 с.

15. Машины и аппараты химических производств / И. И. Чернобыльский [и др.]. М.: Машиностроение, 1975. 456 с.

16. Теплотехнический справочник. В 2-х т. Т. 2. / под общ. ред. В. М. Юренева, П. Д. Лебедева. М.: Энергия, 1976. 896 с.

17. Кувшинский М. Н., Соболева А. П. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности». М.: Высшая школа, 1980. 223 с.

18. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: справочник / под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1983. 552 с.

19. Гинзбург А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985. 336 с.

20. Плановский А. Н., Николаев П. И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987. 496 с.

21. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г. С. Борисов [и др.]; под ред. Ю. И. Дытнер-ского. М.: Химия, 1991. 496 с.

22. Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1991. 352 с.

23. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: в 2-х кн. Кн. 2 / В. Г. Айн-штейн [и др.]. М.: Логос, Высшая школа, 2002. 872 с.

24. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. В 2-х ч. Ч. 2. Мас-сообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 2002. 368 с.

25. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. В 2-х ч. Ч. 2 / под общ. ред. Г. М. Островского. СПб.: НПО «Профессионал», 2006. 916 с.

Поступила 19.06.2014

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.