Электрическая сушильная печь

1. Особенности электрического нагрева и процесса сушки

Электрические сушильные печи находят широкое применение при сушке прецизионных изделий, керамики, электротехнических изоляторов, электродов и высокочистых материалов.

Преимуществами электрических сушильных установок являются:

• Отсутствие загрязняющих продуктов сгорания углеводородного топлива в рабочей атмосфере.
• Прецизионное регулирование температуры по зонам с помощью тиристорных регуляторов мощности.
• Высокий локальный КПД преобразования электроэнергии в теплоту в трубчатых электронагревателях (ТЭНах).
• Минимальные потери тепла с отходящими газами, так как газовый поток состоит исключительно из вентиляционного воздуха, удаляющего влагу.

---

2. Исходные параметры математической модели

2.1. Параметры высушиваемого материала

• $G_{\text{см}}$ — часовая производительность по абсолютно сухому веществу (кг/ч);
• $W_1, W_2$ — начальная и конечная влажность материала (% на влажную основу);
• $t_1, t_2$ — температура материала на входе и выходе из сушильной камеры (°C);
• $c_m$ — удельная теплоёмкость сухого материала ($c_m = 1{,}2 \text{ кДж/(кг}\cdot\text{К)}$).

2.2. Электротехнические параметры

• $P_{\text{эл}}$ — суммарная потребляемая электрическая мощность нагревательных элементов (кВт);
• $\eta_{\text{тэн}}$ — термический КПД ТЭНов с учётом контактных и коммутационных потерь ($\eta_{\text{тэн}} = 0{,}96$).

2.3. Параметры вентиляционного контура

• $L_v$ — объёмный расход вентиляционного воздуха, нагнетаемого в печь для эвакуации водяных паров ($\text{м}^3/\text{ч}$);
• $t_{v,\text{вх}}$ — температура наружного воздуха на входе в вентиляционный патрубок (°C);
• $t_{\text{ух}}$ — температура увлажнённого вентиляционного воздуха на выходе из печи (°C);
• $c_v$ — объёмная теплоёмкость воздуха ($c_v = 1{,}32 \text{ кДж/(м}^3\cdot\text{К)}$).

2.4. Геометрия ограждающих конструкций

• $F_j$ — площадь $j$-й наружной поверхности печи ($\text{м}^2$);
• $K_j$ — коэффициент теплоотдачи стенки в окружающую среду ($\text{Вт/(м}^2\cdot\text{К)}$);
• $\Delta t_j$ — перепад температур между внутренней средой и цехом (°C).

---

3. Математические уравнения теплового баланса

3.1. Баланс влаги

Масса удаляемой влаги за один час непрерывной работы:

$$W_{\text{исп}} = G_{\text{см}} \cdot \left(\frac{W_1}{100 - W_1} - \frac{W_2}{100 - W_2}\right) \quad \left[\frac{\text{кг}}{\text{ч}}\right]$$

3.2. Приход тепловой энергии ($Q_{\text{прих}}$)

Электрическая энергия преобразуется в теплоту по закону Джоуля-Ленца с учётом эффективности нагревателей:

$$Q_{\text{прих}} = P_{\text{эл}} \cdot 3600 \cdot \eta_{\text{тэн}} \quad \left[\frac{\text{кДж}}{\text{ч}}\right]$$

где коэффициент $3600$ переводит киловатт-часы в килоджоули ($1 \text{ кВт}\cdot\text{ч} = 3600 \text{ кДж}$).

3.3. Статьи технологического расхода тепла

1. Полезный нагрев сухого каркаса материала ($Q_m$):

$$Q_m = G_{\text{см}} \cdot c_m \cdot (t_2 - t_1) \quad \left[\frac{\text{кДж}}{\text{ч}}\right]$$

2. Нагрев и испарение влаги ($Q_{\text{вл}}$):

Энтальпия испарившейся влаги при температуре отходящего вентиляционного воздуха $t_{\text{ух}}$:

$$i_p = 2500{,}0 + 1{,}84 \cdot t_{\text{ух}} \quad \left[\frac{\text{кДж}}{\text{кг}}\right]$$

$$Q_{\text{вл}} = W_{\text{исп}} \cdot \left(i_p - c_{\text{воды}} \cdot t_1\right) \quad \left[\frac{\text{кДж}}{\text{ч}}\right]$$

где $c_{\text{воды}} = 4{,}19 \text{ кДж/(кг}\cdot\text{К)}$ — теплоёмкость жидкой воды.

3. Потери тепла с вентиляционным воздухом ($Q_{\text{вент}}$):

Теплосодержание выбрасываемого в вытяжную систему воздуха:

$$Q_{\text{вент}} = L_v \cdot c_v \cdot \left(t_{\text{ух}} - t_{v,\text{вх}}\right) \quad \left[\frac{\text{кДж}}{\text{ч}}\right]$$

4. Потери тепла через наружную теплоизоляцию ($Q_{\text{пот}}$):

$$Q_{\text{пот}} = \sum_{j=1}^m F_j \cdot K_j \cdot \Delta t_j \cdot 3{,}6 \quad \left[\frac{\text{кДж}}{\text{ч}}\right]$$

При отсутствии детализированной карты ограждений теплопотери принимаются равными $10\%$ от подведённой мощности:

$$Q_{\text{пот}} = 0{,}10 \cdot Q_{\text{прих}}$$

3.4. Невязка теплового баланса

Величина теплового дисбаланса:

$$Q_{\text{нев}} = Q_{\text{прих}} - \left(Q_m + Q_{\text{вл}} + Q_{\text{вент}} + Q_{\text{пот}}\right) \quad \left[\frac{\text{кДж}}{\text{ч}}\right]$$

---

4. Энергетические критерии эффективности

4.1. Энергетический КПД электрической печи:

Отношение полезных затрат тепла к полной подведённой электрической мощности:

$$\eta = \frac{Q_m + Q_{\text{вл}}}{P_{\text{эл}} \cdot 3600} \cdot 100\%$$

4.2. Удельный расход электроэнергии на 1 кг влаги:

$$q_{\text{эл}} = \frac{P_{\text{эл}}}{W_{\text{исп}}} \quad \left[\frac{\text{кВт}\cdot\text{ч}}{\text{кг влаги}}\right]$$

Показатель $q_{\text{эл}}$ является ключевым технологическим нормативом в цехах с электротермическим оборудованием. Для энергоэффективных сушильных установок величина $q_{\text{эл}}$ обычно находится в диапазоне $0{,}8 \dots 1{,}2 \text{ кВт}\cdot\text{ч/кг}$.