CC BY
42УДК 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
