Тепловой расчет процесса сушки форм и стержней

В литейном производстве часто применяют конвективный вид сушки форм и стержней. В качестве сушильного агента используют нагретый воздух, продукты горения топлива - дымовые газы или смесь нагретого воздуха с дымовыми газами. Стержни и формы сушат большей частью дымовыми газами, дерево для моделей - в основном нагретым воздухом.

Тепловой расчет процесса сушки при заданном температурном режиме сводится к определению расхода сушильного агента и теплоты на сушку данного материала.

С одной стороны, в процессе сушки воздух омывает влажный материал, передает ему теплоту и насыщается влагой. Таким образом, температура воздуха снижается, а влажность увеличивается. С другой стороны, влажность материала уменьшается, а его сухая масса остается постоянной. Воздух, применяемый для сушки, по сути, представляет собой смесь воздуха и паров воды. Влажность воздуха характеризуется содержанием в нем паров воды. Различают абсолютную влажность, относительную влажность и влагосодержание воздуха.

Абсолютная влажность воздуха характеризуется массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха (кг/м3). Абсолютная влажность насыщенного воздуха зависит от температуры. Температура, при которой наступает полное насыщение воздуха парами воды, называется точкой росы.

Относительная влажность воздуха - это отношение массы водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха, к массе водяного пара, соответствующей полному насыщению влажного воздуха при той же температуре. Относительная влажность (ф, %) воздуха выражает степень насыщения его парами воды.

Относительная влажность может быть также определена отношением действительного парциального давления водяных паров во влажном воздухе рпap к парциальному давлению водяных паров в насыщенном парами воздухе рнac при той же температуре:

Влагосодержание влажного воздуха характеризуется массой водяного пара mпар, кг, который содержится в 1 м3 влажного воздуха (смеси сухого воздуха и пара), отнесенной к массе 1 м3 сухого воздуха mс.в, кг. Влагосодержание, как правило, обозначается буквой d и выражается в кг вл./кг с.в.:

Влагосодержание влажного воздуха зависит от парциального давления водяного пара, содержащегося в нем, и не зависит от температуры:

где В - барометрическое давление, кПа.

В расчетах принимают В = 98,1 кПа как постоянную величину для средней полосы России. Из приведенной выше формулы рпар = ф * рнас, тогда

Зная количество влаги, которое нужно испарить из материала формы или стержня за 1 с (mвл, кг/с), а также начальное и конечное влагосодержание воздуха dн и dк, можно определить количество воздуха, необходимое для сушки (mв, кг с.в./с):

Количество влаги, которое необходимо удалить из материала в процессе сушки, зависит от его начальной и конечной влажности. Количество влаги, удаляемое из материала (кг/с), определяется по одной из двух приведенных ниже формул, применяемых в зависимости от наличия исходных данных:

где mмн, mмк - часовые производительности сушила по материалу до и после сушки;

Wн, Wк - относительная влажность материала до и после сушки. Относительная влажность материала представляет собой отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе влажного материала:

Отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала mм.абс.с означает абсолютную влажность материала:

Взаимосвязь относительной и абсолютной влажности материала можно выразить формулой

В тепловых расчетах сушил в качестве одного из основных параметров используют удельное количество теплоты влажного воздуха, относящееся к 1 кг абсолютно сухого воздуха (кДж/кг с.в.):

Первое слагаемое выражения представляет собой удельное количество теплоты сухого воздуха, а второе - теплоты водяного пара, содержащегося во влажном воздухе. Удельное количество теплоты влажного воздуха зависит от его температуры и влагосодержания.

Расчет процесса сушки аналитическим путем труден и громоздок, поэтому широко используют графический метод расчета с помощью специальной i-d-диаграммы. Диаграмма, построенная для влажного воздуха, может быть использована и для расчета сушки продуктами горения, разбавленными воздухом.

На рис. 7.94 приведена i-d-диаграмма для влажного воздуха, причем все величины относятся к 1 кг содержащегося в нем сухого воздуха. На оси абсцисс диаграммы отложено влагосодержание, а на оси ординат -удельное количество теплоты воздуха. Диаграмма построена для барометрического давления 98,1 кПа. Линии постоянного влагосодержания d расположены по вертикали, а линии постоянного удельного количества теплоты t - под углом 135° к вертикали. Пучок кривых представляет собой линии одинаковых значений относительной влажности ф. Линии одинаковых температур направлены под углом менее 90° к вертикали. Линия насыщения ф = 100 % разделяет диаграмму на верхнюю область влажного ненасыщенного воздуха и нижнюю область перенасыщенного воздуха, в котором влага может находиться в капельном состоянии. Одновременно с этим линия ф = 100 % показывает максимальное насыщение воздуха влагой при данной температуре. Таким образом, на диаграмме нанесены линии параметров влажного воздуха: i, d, ф и t. Для определения параметров сушильного агента по i - d-диаграмме должны быть заданы два из них, остальные находят по диаграмме.

Расчет процесса сушки по i - d-диаграмме. При расчете сушки воздухом задаются параметры воздуха: температура tв и относительная влажность ф. По ним находят на диаграмме исходную точку А (рис. 7.95). Влагосодержание и удельное количество теплоты воздуха в точке А соответственно равны d1 и iв. В сушило воздух подают подогретым до температуры tн.

Процесс нагрева воздуха от tв до tн на диаграмме изображается линией AB. Подогретый до 4 воздух в точке В имеет параметры dн = 0,7фнiн Причем d1 = dн, т. е. влагосодержание воздуха при нагреве не изменяется. Различают действительный процесс сушки и его теоретический (идеальный) вариант. При действительном процессе сушки теплота воздуха, подаваемого в сушило, расходуется на испарение влаги материала, на нагрев материала, тары, транспортных механизмов и восполнение потерь теплоты в окружающую среду. При теоретическом варианте сушки считается, что теплота воздуха расходуется только на испарение влаги материала.

Для простоты рассмотрим сначала теоретический вариант процесса сушки. В данном идеальном варианте процесса температура воздуха, подаваемого в сушило, снижается, влажность возрастает. Однако удельное количество теплоты воздуха остается постоянным. Это объясняется тем, что теплота, затраченная на испарение влаги материала, возвращается воздуху водяными парами, обладающими скрытой теплотой парообразования. Поэтому теоретический вариант процесса сушки на диаграмме i—d изображается прямой (см. рис. 7.95), направленной по линии i = const. Конечные параметры теоретического процесса сушки в точке С будут tк и d2. Расход воздуха (кг с.в./с) при идеальном варианте процесса рассчитывается по формуле

В действительности при процессе сушки часть теплоты, вносимой воздухом, необратимо теряется, вследствие чего процесс идет с уменьшением удельного количества теплоты воздуха. Для того чтобы определить изменение удельного количества теплоты воздуха, необходимо вычислить количество теплоты Qпот, затраченное на прогрев материала, тары и т. д. После определения Qпот находим потери удельного количества теплоты воздуха (Дж/кг с.в.):

Значение iпот откладываем вниз от точки С и получаем точку D (см. рис. 7.95). Действительный процесс сушки идет по линии BD. Заканчивается он в точке E, которая соответствует tк (или фк). Отрезок BE отражает действительный процесс сушки, а точка E соответствует конечным параметрам воздуха dк. Расход воздуха на действительный процесс сушки (кг с.в./с) рассчитывается по формуле

Для перевода массы воздуха в объемное количество Vв можно воспользоваться соотношением

где V - объем влажного воздуха, приходящийся на 1 кг сухого воздуха.

Потери теплоты в сушилах Qпот определяют по формулам, которые приведены в расчетах теплового баланса печей. Для сушила непрерывного действия тепловые потери (Вт) определяются следующим образом:

где Qм - расход теплоты на нагрев материала;

Qтр - расход теплоты на нагрев транспортных устройств;

Qокр - потери теплоты через стенки сушила в окружающую среду;

Qух - потери теплоты с уходящими газами;

Qнепл - потери теплоты через неплотности сушила.

Расчет процесса сушки продуктами горения по i - d-диаграмме. Процесс сушки продуктами горения изображается на i-d-диаграмме аналогично процессу сушки воздухом за исключением того, что вместо подогрева наружного воздуха в этом случае предусматривается смешение продуктов горения и воздуха с целью получения требуемой начальной температуры смеси tн.

Если известны параметры смеси продуктов горения с воздухом iн или dн при выбранной температуре то процесс сушки соответствует теоретическому варианту процесса, идущего от точки В (рис. 7.96).

Если известна только начальная температура смеси tн, то задаются параметры продуктов горения (tг, dг или iг) и воздуха (tв, dв или iв), подлежащих смешению, после чего по этим параметрам находятся точки В' и А. Линия AB' представляет собой линию смешения продуктов горения и воздуха. При этом точка В находится на пересечении линии AB' с линией температуры tн. Температура смеси продуктов горения и воздуха на входе в сушило tн зависит от технологии сушки и составляет для стержней 170—300 °С, для форм 200-600 °С.

После нахождения точки В дальнейший процесс сушки строят аналогично процессу сушки воздухом, определяя tк и dк. Количество смеси продуктов горения и воздуха, поступающей в сушило (кг см/с), определяют по формуле

Точка В соответствует удельному количеству теплоты смеси с учетом удельного количества теплоты паров воды, содержащихся в продуктах горения. Расход топлива при этом подсчитывают по высшей теплоте сгорания Qв. Для расчета расхода топлива по низшей теплоте сгорания вместо удельного количества теплоты iн, соответствующего точке В, принимают удельное количество теплоты соответствующее точке В”; i'н равно удельному количеству теплоты смеси без учета удельного количества теплоты водяных паров, содержащихся в ней. Расход теплоты на сушку определяют по формуле

Расход топлива при низшей теплоте сгорания Qнр, кг/с или м3/с, вычисляют как