TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.1------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Proiect 1DIMENSIONARE USCĂTOR CONVECTIV

PENTRU FRUCTE ŞI LEGUME

OBIECTIVELE PROIECTULUIProiectul are ca obiectiv principal dimesionarea unui uscător convectiv cu

aer cald prin calcularea principalilor parametrii constructivi şi funcţionali.Datele iniţiale ale proiectului conţin referiri la tipul de corpuri de uscat şi

regimul de uscare impus, precum şi la caracteristicile constructive generale. Se calculează parametrii termici ai procesului de uscare, debitul de agent de uscare, puterea termică necesară, timp estimat de uscare. Calculele de dimensionare se for realiza cu un algoritm dezvoltat în EXCEL.

PREZENTARE EXEMPLU PROIECT1. Prezentare instalaţie de uscare covectivă modulară

Uscătorul de dimensionat este similar cu uscător de tip USCMER-30/60AC care este echipat cu un cazan de apă caldă cu putere termică utilă de 60 kWt. El este complet automatizat, ceea ce permite uscarea fructelor şi legumelor în regim de şarjă sau semicontinuu de tip tunel.

Pentru a creşte gradul de utilizare al uscătorului acesta este construit în varianta modulară, cu un modul de bază şi module de extindere, ceea ce permite ca suprafaţă utilă pentru materialul de uscat să poată varia de de la 50 la 150%. Această soluţie permite ca utilizatorul să-şi poată adapta uşor uscătorul la specificul programelor de uscare ale diferitelor feluri de fructe şi legume, la regimuri de uscare în şarjă sau semicontinuu, cât si pentru optimizarea economică a valorificării surselor disponibile de materiale pentru uscare .

Uscarea se face convectiv, materialul de uscat este pus pe casete (sertare) de uscare stivuite pe rastele pe roţi, care se introduc în camerele de uscare din modulele de baza ale uscătorului..

Agentul de uscare este produs prin amestecarea aerului recilculat cu aer exterior şi încălzirea acestuia cu un schimbător de căldură apă caldă-aer, care primeşte apa caldă cu temperatura medie de 85 C dintr-un rezervor intermediar de 600 de litri. Agentul de uscare este aspirat de un ventilator şi trimis în camera de uscare.

Se poate realiza şi varianta cu un schimbător de căldură gaze arse/aer cu randamentul minim de transfer de 85%.

Uscătorul este format dintr-un modul de bază în care încap două rastele la care, în funcţie de necesităţi se pot ataşa, pentru extinderea camerei de uscare încă patru module în care intră câte un rastel cu casete.

In figura 1.1 este prezentată schema funcţională a unui uscător convectiv de

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.2------------------------------------------------------------------------------------------------------------------capacitate medie cu încălzirea agentului de uscare cu apă caldă, tip USCMER 30/60AC

Fig. 1.1 Schema funcţională a unui uscător convectiv de capacitate medie cu încălzirea agentului de uscare cu apă caldă, tip USCMER 30/60AC

2. Date iniţiale proiectIn tabelul 1 este prezentat tabelul cu datele iniţiale pentru proiect.

Tabel 1. Date iniţiale proiect dimensionare uscător convectivEntitate Mărimea Simbol U.M. Valoare

Caseta Lungime casetă Lcas m 0.700 Laţime caseta Bcas m  0.450

Camerade

uscare

Număr casete Nrcas buc.  100Număr coloane de casete Nrcol adim. 2 Viteza aer vaer m/s 2.50 Temperatura intrare aer Tint grade C  60.00Temperatura suprafaţa corp Tsup grade C 30.00 

Material de

uscat

Tip legumă sau fruct Material text mere Divizare Divizat text rondele Incarcare specifică Mincs Kg.cum/mp 10.00Umiditate relativă iniţială φcin % 84.00 Umiditate relativă finală φcfin % 18.00 Umiditate absolută critică Ucr kg.apa/kg.cus 1.6 

3. Calculul principalilor parametri constructivi

3.1 Suprafaţa de poziţionare material de uscat

Materialul de uscat se poziţionează pe casete de uscare cu următoarele

caracteristici:

- dimensiuni: 0,7m x 0,45 m x 0,02 m

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.3------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - suprafaţă utilă casetă: Acas = 0,69 x 0,44 = 0,3036 ≈ 0,30 m2

- numar de casete pe o coloană: Ncc = Nrcas/Nrcol = 100/2 = 50 casete/rastel

- organizare casete pe coloană: Nrnd = 25 rânduri cu 2 casete

- lungime front aer coloană 2 casete: Laercol = 2* Bcas = 2*0.450 = 0.900 m

- suprafaţă de poziţionare pe o coloană: Acol = Ncc * Acas = 50 x 0,30 = 15 m2

- suprafaţă de poziţionare în camera de uscare cu 2 coloane (rastele):

Acamusc = Nrcol*Acol = 2 x 15 m2 = 30 m2

- masa iniţială material de uscat: Msarjaum = Acamusc* Mincs = 30*8 =240 kg.cum

3.2 Spaţiu circulaţie agent uscare

Se consideră că stratul de material de uscat care este poziţionat pe casetă are o grosime medie maximă de circa: hcuscas = 20 mm.

- spaţiul intre două casete pe verticală este: Hcas = 50 mm

- înălţime secţiune aer între două casete: Haercas = Hcas - hcuscas = 50 -20 = 30 mm.

- aria secţiunii de trecere aer prin coloană:

Saercol = (Nrnd+1)* Haercas* Laercol = (25+1)*0.03*0.9 = 0.702 m2.

3.3 Viteza şi debitul de agent de uscare

Pentru regimul cel mai intens de uscare se alege o viteză maximă a aerului în încinta de uscare :

vaer max = 2.5 m/s

- rezultă un debit maxim de :

Daer max = 2,5 m/s x 0,700 m2 = 1,750 m3/s = 6300 m3/h

- un debit minim , circa 40%:

Daer min = 0.4*Daer max = 2520 m3/h

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.4------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- densitate aer la intrare in camera de uscare la Tint =60 C:

din program mărimi de stare aer umed rezultă: aer =1.060 kg.au/m3

- debitul masic de aer uscat la 60 C va fi de :

Dm aer = 1.750 m3/s *1.060 kg.au/m3 = 1,855 1,900 kg.au/s

sau pentru condiţii normale:

Dv aer = 1,9 (kg.au/s) /1,2731 kg/Nm3 = 1,192 Nm3/s = 5.372 Nm3/h

Coeficient Reynolds pentru vaer = 2,5 m/s este:

Re = (Lcas x va)/ = (0,72,5)/(1.89710-5) = 9.225 104

Unde : Lcas este lungimea de parcurgere a aerului pe o casetă (m)

este coeficientul de viscozitate cinematica al aerului (m2/s)

Coeficientul criteriului Nusselt este:

Nu = 0,66 Re 0,5 Pr 1/3 = 0,66 x (9.225x 104)0,5 x (0,7) 1/3 = 178

unde: pentru aer criteriul Prandl este: Pr = 0,7

4. Parametrii funcţionali 4.1 Parametri procesului de uscare 4.1.1 Coeficientul de transfer de căldură se calculează cu : = (Nu x )/Lcas = 178 * 2.89510-5/0,7 = 7,36 10-3 (kW/m2K)

unde: λ este coeficientul de conductibilitate al aerului la Tint

Pentru faza întâi de uscare se impune o temperatură maximă la suprafaţa materialului Tsup =30oC.

4.1.2 Coeficientul de transfer de masă va avea valoarea :

= * (Tint – Tsup) /r = 7,36 *10-3 * (60-30)/2310 = 9,56 x 10-5 (kg.apa/m2s)

unde la Tsup = 30 C şi r = 2310 kJ/kg.apa

4.1.3 Suprafaţa de uscare a materialului Material divizat : mere tăiate în rondele

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.5------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Rondela medie are dimensiunile :- diametrul interior : Di = 10 mm

- diametrul exterior: De = 40 mm

- grosime rondelă: s = 5 mm

- suprafaţă laterală totală rondelă:

Arond = π∙[ 2∙(De2 – Di

2)/4+ (De+Di)∙s] = 0.002042 mm2 = 2.042 E-3 m2

- volum rondelă: Vrond = 62831 mm3 ≈ 6.28 cm3

- masă rondelă: Mrond = 5.9 x 1,2 = 7,5 g/rondela

- aria specifică: Aspec = 3.140 x 10-3 m2 x (1000g/7,1 g/rondela) = 0,442 m2/kg

- arie uscare totală: Aşarjă = Msarjaum * Aspec = 240 x 0,442 = 106.08 m2

- coeficient de utilizare a suprafeţei pentru transfer termic: K sup usc ≈ 0,8

- suprafaţa de uscare estimată:

Ausc ef ≈ 106 *0.8 =84.8 = 85 m2

4.1.4 Umiditate material de uscat

Umiditatea relativă a merelor la intrare în procesul de uscare : φci = 85%

Umiditatea absolută la intrare în uscare: Ui = 5,667 kg.a/kg.mus

Umiditatea relativă a merelor la ieşirea din procesul de uscare : φcf = 20%

Umiditatea absolută la ieşirea din procesul de uscare: Uf = 0,25 kg.a/kg.mus

Umiditatea critică de uscare se estimează la Ucr ≈ 1,6 kg.apa/kg.mus

4.2 Parametrii agent de uscare

Pentru temperatura la suprafaţa materialului de uscat de Tus = 30 oC conţinutul în apă la saturaţie este de xe= 0,02755 kg a/kg au, care corespunde cu umiditatea absoluta la ieşirea din camera de uscare.

Rezultă că umiditatea absolută a aerului la intrare în camera de uscare trebuie sa fie:

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.6------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ xi = xe- *Sef/Dm aer = 0,02755 – 9,56*10-5*85/1,9 = 0,02327 kg.v/kg.au

Parametrii aer exterior : Taex = 20 C şi φaex = 60%, deci cu xaex = 0,009 kg.apa/kg.au

Se poate calcula care este coeficientul maxim de recirculare agentului de la ieşire:

Cu datele existente se poate estima temperatura aerului la ieşire din camera de uscare:

Te = Ti – (xe-xi) r /caer = 60–(0,02755-0,02327)∙ 2418/1,056 = 60–10.4 ≈ 49.6 oC

T = Te - Ti ≈ 10,4 oC

Entalpia aerului la ieşire din camera de uscare este :

hies = 119,78 kJ/kg au

Entalpia aerului la intrare in camera de uscare este:

hint = 119,8 kJ/kg au

Deoarece hint = hies rezulta ca pentru un proces adiabat de uscare calculele sunt suficient de precise.

Entalpia aerului exterior introdus în procesul de amestecare este:

hex = 43,495 kJ/kg au

Puterea termică necesară pentru pregătirea agentului de uscare:

Rezultă o putere specifică necesară de Pspec = 1,2 kWt/m2

Se alege pentru acest tip de uscator o putere termica maxima la intrarea in camera de uscare de 40 kWt.

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.7------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Se ia in calcul un randament al cazanului de apa calda cu valoarea caz =0.9 şi rezulta la arzator o putere necesara de Parz > 45 kWt

Pentru a se asigura o putere termică mai mare se va alege un arzator cu puterea nominala Parzn = 60 kWt

5. Dimensionare ventilator

Se estimeaza ca pierderea de presiune pe traseul circulatiei aerului prin uscator este de circa pusc 600 Pa, valoare similara cu cea obţinută din incercarile uscatoarelor similare.

Presiunea dinamica la iesirea din ventilator (0,5 x 0,355 = 0.1725 m2) este de :

pdin = (1,75 m3/s /0,1725 m2)2 x (0,9332 kg/m3 /2 ) 52 Pa

Puterea utila a ventilatorului este de minim:

Pven = 1,75 m3/s x (600 + 52) Pa = 1141 W = 1,15 kW

Se ia pentru randamentul mediu al ventilatoarelor centrifugale cu palete curbate înainte valoarea de vent 0,60, iar pentru randamentul motorului electric o valoare de me 0,95. Rezultă puterea necesară pentru motorul electric de acţionare de :

Pme 1,15 /(0,60 x 0,95) = 2,1 kW

Se va utiliza un motor de 2,7 kW.

6. Dimensionare instalaţie termică

Puterea instalata de 40 kWth este produsă de o centrală termică de apă caldă. Pentru a se încălzii aerul este necesar să se realizeze transferul de caldură de la apa caldă la aer prin schimbătoare de caldură cu aripioare.

Se considera ca apa caldă are o temperatura minimă de 80 C şi ca transferul de caldura se poate face pentru TSC = 80 – 70 = 10 C.

Pentru a se transfera Pinc max trebuie să se asigure un debit maxim de apă caldă

Dac max cu valoarea:

Dac max = 40/(4,1815 x 10) = 1,435 l/s = 86 l/min = 5,165 m3/h 5,2 m3/h

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.8------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Se impune o viteză a apei în conducte de 1,5 m/s ceea ce necesită conducte cu secţiunea de 1000 mm2, cu diametru interior di 35,7 mm, deci o conducta de 11/4 inch. Pentru a scădea căderea de presiune se alege o conducta de 11/2 cu diametru interior di = 41,25 mm, în care viteza apei calde este de 1,2 m/s cu căderea specifică de presiune de 3,5 mbar/m.

Lungimea maximă a conductelor este de Lc max 12 m, ceea duce la o pierdere maximă de presiune pe conducte de pc = 42 mbar

Pierderea de presiune pe schimbătoarele de caldură se estimeaza la psc 0,15 bar.

Pierderea de presiune maximă pe robinetul de reglare, cu diametrul nominal de 11/2 , la un debit de 5 m3/h este de prr 0,032 bar

Pierderile maxime de presiune în circuitul secundar sunt:

ptot = 0,042 + 0,15 + 0,032 = 0,224 bar

Ceea ce duce la o putere necesară utilă de pompare de :

Ppu = 1,435 10-3 x 0,224 105 = 32,144 W

Randamentetul pompelor la sarcina nominală este de minim 60% ceea ce conduce la o pompă cu motor electric cu puterea :

Pmp 33 /0,60 = 55 W 60 W

Se va utiliza o pompa de apa calda cu Dn = 11/2 şi putere de 60 W.

Pentru o funcţionare normală a cazanului de apă caldă se utilizează un rezervor suplimentar de apă caldă de 500 kg cu un randament de izolaţie de 0,95. Acesta se încălzeste de la 20 la 85 ºC în perioada :

tamorsare = [500 4.185 (85-20)/60] / 0.95 = 2386 s= 0,67 h

Considerând că ecartul de temperatură la o reîncălzire este de 10 ºC şi puterea consumată din rezervor este 0,667 din Pcazan rezultă că o perioadă de reîncălzire în care va funcţiona cazanul va fi de maxim :

tinc = [500 4.185 10)/(60-40)0] / 0.95 = 1100 s= 0,3 h

Perioada de pauză, în care uscătorul utilizează numai caldură din rezervor, va fi de minim:

tpauza = [500 4.185 10)/40] / 0.95 = 550 s= 0,15 h

TEUP - Laborator P.1 Dimensionare uscător convectiv P1.9------------------------------------------------------------------------------------------------------------------