Теплообменный аппараты со смешиванием теплоносителей. 3 страница

Полное время сушки разбивается на 3 участка

0 начальный участок (период разогрева)

Подогрев образца до температуры мокрого термометра. Влажность материала убывает, а скорость сушки растет по сложным законам, зависящим от свойств материала

1 период постоянной скорости сушки

Температура материала постоянна и равна температуре мокрого термометра . Скорость сушки максимальна и постоянна. Идет испарение постоянной влаги. В конце периода в т.В влажность равна гигроскопической влажности и называется критической влажностью.

2 конечный участок (период падающей скорости сушки)

Температура тела возрастает и приближается к температуре сухого термометра. Скорость сушки падает до 0. Влажность в конце периода в т.С равна равновесной . На этом участке происходит испарение капиллярной влаги тела.

Участок AB- 1 период

Количество теплоты, подведенной в т.А

в т.B

т.к. , то => с поверхности образца на участке AB испаряется постоянное количество воды в секунду.

Участок BC- 2 период

Рис. 14 Кривые сушки

Рис. 15 Кривые сушки

7.2 Определение формы связи влаги с материалом

производится по виду графика сушки в конечном периоде сушки

Виды кривых:

1 тела с внутренней адсорбированной влагой

2 керамические тела

3 нижняя часть- испарение капиллярной влаги

верхняя- связанная адсорбированная влага тела.

4 наоборот

5 влага тонких грубодисперсных материалов

Рис. 16 Виды кривых сушки

7.3 Закон термовлагопроводности

Определяет величину удельного потока q влаги в материале, который равен массовому потоку влаги в материале через площадку 1 м² за 1 секунду.

, кг/м²с

плотность абсолютно сухого материала кг/м³

коэффициент потенциалопроводности, учитывающий изменение влажности

термоградиентный коэффициент, учитывающий влияние температуры а перенос массы влаги

коэффициент фильтрационного переноса, учитывающий влияние давления на перенос влаги

Примечание:

при t <100°С , поэтому последним слагаемым пренебрегаем

при t >100°С , поэтому вторым слагаемым пренебрегаем

Если температура или влажность в поверхностных слоях тела больше, чем во внутренних, то перемещение влаги к поверхности материала может тормозиться или даже может возникнуть обратное перемещение влаги во внутренние слои материала.

7.3 Способы подвода тепла при сушке

1) Конвективная сушка с двухсторонним нагревом

1 капиллярно пористое тело

2 поток сушильного агента

2) Кондуктивный

1 капиллярно пористое тело

2 нагреватели

теплота передается теплопроводностью

3) Радиационный

1 тело

2 излучатель

3 отражатель

4) Индуктивный

1 тело

2 индуктор

5) Комбинированный

комбинация любых вышеперечисленных методов

Рис. 17 Способы подвода тепла при сушке

7.4 Усадка материала при сушке

В процессе сушки уменьшаются размеры пор и капилляров, а следовательно уменьшается объем материала вцелом. Каждому сорту материала соответствует определенное уменьшение его объема при уменьшении влажности материала на 1% - усадка.

Каждый материал характеризуется своим коэффициентом усадки

l длина образца материала

w влажность

н- начальная, к- конечная

если тело изотропно и усадка материала при сушке происходит равномерно по объему тела

если тело анизотропно, имеет разную пространственную усадку по объему тела.

0,1÷0,01

7.5 Коробление и растрескивание материала при сушке

Т.к. в начале сушки испаряется преимущественно поверхностная влага, то изменение объема материала в поверхностных слоях происходит интенсивнее, чем в центре тела, что приводит к деформации тела. Эффект деформации тела называется короблением. Коробление приводит к возникновению механических напряжений внутри ткла, как только напряжение превышает предел прочности материала, происходит его разрушение с образованием трещин.

Выводы:

Для качественной сушки необходимо выбирать такие режимы и параметры сушильного агента, чтобы коробление не превышало допустимых норм и растрескивания не было.

7.6 Определение времени сушки влажных материалов

Существует 2 способа определения времени сушки влажных материалов:

1) Аналитический

Задается замкнутая система уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями и аналитически рассчитывается время сушки материала при

уравнение влагопроводности

уравнение теплопроводности

коэффициент температуропроводности

r- скрытая теплота парообразования

-коэффициент внутреннего испарения влаги

последнее слагаемое уравнения теплопроводности учитывает изменение температуры тела из-за испарения влаги

начальные условия:

граничные условия: ,

Указанную систему уравнений можно решить аналитически при постоянных значениях коэффициентов и На ЭВМ цифровыми методами. Точность метода 20%.

2) Инженерный

Метод заключается в следующем: берется стандартный образец материала данного сорта, высушивается в стандартных условиях и определяется время сушки стандартного образца

Время сушки произвольного материала определяется

n - число отличий от стандартного образца

k_i - поправочные коэффициенты, учитывающие число отличий от стандартного образца.

набор поправочных коэффициентов

Пример:

Сосновая доска толщиной a =50мм, шириной b =100мм длиной l =6м высушивается в конвективной сушилке, начальная влажность , конечная Время сушки стандартного образца суток. Определить время сушки дубовой доски a =100мм, b =150мм, l =2м. Высококачественная сушка , .

, , , , ,

=> ÷50суток

Инженерный метод прост и дает высокую точность 20%. Метод используется часто.

8 расчет идеальной сушильной установки с однократным использованием

8.1 Схема установки:

Рис. 18 Схема установки

1 вентилятор

2 калорифер

3 сушильная камера 8.2 Для идеальной сушильной установки условно принимается

1) Нет потерь теплоты в окружающую среду и потерь по тракту его движения

2) Температура материала на входе в сушилку 0°С

3) Пренебрегаем затратами теплоты на нагрев транспортных устройств и сухой массы материала.

8.3 Построение процесса в I-x диаграмме

АВ нагрев в калорифере

CD процесс в сушильной камере

Рис. 19 I-x диаграмма идеальной сушильной установки

8.4 Определение удельного расхода абсолютно сухого воздуха на испарение 1кг влаги l

воздух на входе- G_в, x_C, на выходе- G_в, x_D

материал на входе- G_м, w_C,на выходе- G_м, w_D

w_C + G_вHx_C= w_D + G_вHx_D

G_в (x_D - x_C)

кг с.в./кг вл.

8.5 Определение удельного расхода теплоты на испарение 1кг влаги

Примечание:

При расчете реальной сушилки необходимо учитывать 1) тепловые потери в окружающую среду 2) потери воздуха из-за неплотностей корпуса, сушильной камеры 3) затраты теплоты на нагрев транспортных устройств и сухой массы материала.

Затраты теплоты в реальной сушилке в 1,5÷2 раза выше, чем в идеальной.

8 Варианты схем конвективной сушки материалов

8.1 Сушилка с рециркуляцией воздуха

© Схема сушилки

1 вентилятор

2 калорифер

3 сушильная камера

4 линия рециркуляции

5 регулирующий вентиль

Рис. 20 Схема сушилки с рециркуляцией воздуха

© Построение процесса в I-x диаграмме

DE процесс в сушильной камере

AD'DE идеальная сушилка

ABDE идеальная сушилка с рециркуляцией Рис.21 I-x диаграмма сушилки с рециркуляцией воздуха

© Сравним идеальную сушилку и сушилку с рециркуляцией. Параметры на входе одинаковые.

средняя температура в сушильной камере

средняя влажность в сушильной камере

удельный расход воздуха

суммарный удельный расход воздуха

св- свежего воздуха

Выводы:

1) Количество свежего воздуха на испарение 1кг влаги в обеих сушилках одинаково

2) Количество воздуха, циркулирующего в сушильной камере больше в сушилке с рециркуляцией

3) В сушилке с рециркуляцией средняя температура в сушильной камере больше, а средняя влажность в сушильной камере меньше

4) из 1,2,3 следует, что качество сушки в сушилке с рециркуляцией выше.

Примечание:

Кратность циркуляции сушильного агента в камере равна отношению количества циркулирующего воздуха в камере к количеству свежего:

,[-]

Чем выше , тем выше качество сушки. Для реальных сушилок 10÷200

8.2 Сушилка с промежуточным подогревом воздуха

© Схема установки

1 вентилятор

2,4,6 калориферы

3,5,7 сушильные камеры

Сушилка с тремя ступенями.

Рис. 22 Схемы сушилки с промежуточным подогревом воздуха

© Построение процесса в I-x диаграмме

Сушилка разбита на 3 части, перед каждой частью свой калорифер.

Условно примем, что температуры на входе (выходе) в каждую ступень одинаковы: - вход, - выход.

AK'N одноступенчатая сушилка без подогрева

ACDEFKN сушилка с тремя ступенями

Рис. 23 I-x диаграмма сушилки с промежуточным подогревом воздуха

© Сравним одноступенчатую сушилку без подогрева и сушилку с тремя ступенями. Параметры на входе одинаковые.

средняя температура в сушильной камере

средняя влажность в сушильной камере

удельный расход воздуха

Вывод:

Качество сушки в сушилке с промежуточным перегревом выше, чем без него.

8.2 Сушилка с промежуточным подогревом и рециркуляцией воздуха

© Схема установки

1 вентилятор

2,4,6 подогреватели воздуха

3,5,7 сушильные камеры

8,9 вспомогательные вентиляторы

10,11,12,13,14 запорно-регулирующая арматура

Рис. 24 Схема сушилки с рециркуляцией и промежуточным подогревом воздуха

© Построение процесса в I-x диаграмме

Рис. 25 I-x диаграмма сушилки с рециркуляцией и промежуточным подогревом воздуха

Выводы:

1) Используя промежуточный подогрев и рециркуляциею воздуха, подбирают параметры сушильного агента в каждой ступени такими, чтобы обеспечить высокое качество сушки при заданной скорости сушки.

2) Сушилка имеет достоинства обеих, рассмотренных выше

3) Недостаток: усложнение схемы и увеличение количества единиц оборудования

Рис. 26 Схема и I-x диаграмма конденсационной сушильной установки.
Основные типы и конструкции сушилок

1 Конвективные атмосферные сушилки

1. Камерные

2. Туннельные

3. Ленточные

4. Конвейерные

5. Шахтные

6. Барабанные

7. Пневматические

8. С кипящим слоем

9. Распылительные

2 Радиационные сушилки

3 Контактные

1. Вальцовые

2. Цилиндрические

3. Трубчатые

4. Вакуумные

4 Сублимационные сушилки

Литература [1]

Список литературы:

1 Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки

М.: Энергия, 1972 г, 320 с.

2 Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок

Под редакцией Бакластова А.М.

М.: Энергоатомиздат, 1981 г, 336 с.

3 Промышленные тепломассообменные процессы и установки

Бакластов А.М. М.: Энергоатомиздат, 1986 г

4 Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий

М.: Энергоатомиздат, 1978 г, и более ранние.

Раздел 4. ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ

1. Основные определения

а) Выпарка – это термический процесс удаления растворителя из растворов путем его испарения.

Уточнение В дальнейшем в качестве растворителя подразумеваем только воду.

б) Концентрация раствора – отношение массы абсолютно сухого твердого растворенного вещества к массе раствора

Примечание: При полном удалении оды остается вещество в твердом виде.

2. Область применения

- в пищевой промышленности при упаривании соляных растворов, сахара, молока.

- в химической промышленности для упаривания различных растворов солей.

- в металлургической промышленности для получения гидроокиси Al – Al(OH)₃, которая является исходным сырьем для получения Al₂O_3.

_3. Физико-химическая температурная депрессия – Δt_ф-х.

- физико-химическая температурная депрессия.

Рис.4 Физико-химическая температурная депрессия

Физико-химическая температурная депрессия равна разнице между температурой кипения раствора и температурой образующихся паров, причем температура паров всегда равна температуре кипения растворителя в чистом виде.

Величина Δt_ф-х зависит от вида раствора и его концентрации. Величину Δt_ф-х можно определить по справочнику химика.

4. Сравнение выпарного аппарата с теплогенератором для генерации водяного пара.

Примечание: Конструктивно выпарные аппараты мало отличаются от парогенераторов. Оба типа аппаратов являются теплообменниками рекуперативного типа.

Температуры пара одинаковы => ,

1. температура пара, выход из ПГ - температура пара, выход из ВА.

2. температура кипения

3. средняя температура греющего теплоносителя -

4. температурный напор

5. тепловые мощности

(1) (2)

(3)

=>

Примечание: 1) Коэффициент К=1 при концентрации b=0; чем больше b, тем больше К отличается от 1.

2) Коэффициент теплопередачи , так как при увеличении концентрации раствора коэффициент теплоотдачи со стороны раствора начинает ↓из-за увеличения вязкости раствора.

3) ↓ k_BA приводит к дополнительному ↑ коэффициента К.

4) При одной и той же тепловой мощности ПГ и ВА последний всегда имеет большую поверхность.

5) Конструктивные отличия ВА и ПГ заключаются в особенностях организации движения раствора с учетом того, что упаренный раствор всегда вывозится из аппарата.

5.Конструкции выпарных аппаратов

1) ВА с центральной циркуляционной трубой

В расчете на 1 кг раствора в центральной циркуляционной трубе поверхность нагрева меньше чем в периферийных => температура в периферийной трубе больше, а плотность меньше, чем в центральных трубах => раствор в центральной трубе «тяжелее» и гидростатическое давление заставляет раствор опуститься вниз в центре и подниматься на периферии => естественная циркуляция раствора приводит к повышению теплопередачи (рис.5).

2) ВА с длинными трубками пленочного типа

В нижней части аппарата на высоте h=0,3H образуется слой кипящего раствора. Образующиеся пузырьки пара поднимаются вверх, подхватывая раствор и разбрызгивают его по внутренним стенкам. На внутренней стенке образуется движущаяся вверх тонкая пленка пара, из которой непрерывно в центр трубы подается пар (рис.6).

3) ВА с выносным кипятильником

Вскипание раствора происходит в кипятильнике, а отделение пара от раствора за счет центробежного при тангенциальном вводе смеси в аппарат (рис.7).

4) ВА системы «Рапид»

Движение раствора внутри теплообменника и ВА происходит за счет естественной конвекции. Применяется для упаривания агрессивных растворов (рис.8).

5) ВА с погружной горелкой

(рис.9)

Рис.5 Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой

1- цилиндрический корпус

2- центральная циркуляционная труба внутренний d=200мм

3- периферийные трубы d_вн=25÷30

4- каплеотбойники

5- вход раствора

6- выход раствора

7,8- вход и выход греющего теплоносителя

9- выход вторичного пара (пар, выделяющийся из раствора при его выпаривании)

Рис.6 Выпарной аппарат с длинными трубками пленочного типа

1- длинные трубы, d_вн=30мм, l до 11м

2- цилиндрический корпус

3,4- вход и выход греющего теплоносителя

5- упаренный раствор

6- выход раствора

7- каплеотбойник

8- выход вторичного пара

Рис.7 Выпарной аппарат с выносным кипятильником

1-выпарной аппарат

2-выносной кипятильник

3-циркуляционный насос

4-отвод упаренного пара

5-подвод свежего раствора

6-выход вторичного пара

7-гидравлическое сопротивление

Рис.8 Выпарной аппарат системы «Рапид»

1- теплообменник, который в случае выхода из строя, быстро заменяется на новый

2- корпус ВА

3- каплеотбойник

4- вход раствора

5- выход раствора

6- выход вторичного пара

7,8- вход и выход греющего теплоносителя

Рис.9 Выпарной аппарат с погружной горелкой

7- корпус ВА

8- погружная горелка

9- факел погружной горелки

10- раствор

5,6- подвод воздуха и природного газа к горелке

7- выносной теплообменник для утилизации теплоты отходящих газов

8- поверхность нагрева раствора

9- взрывной клапан

10- слив конденсата вторичного пара (если он образуется)

11- выносной бак для отстаивания раствора

12- мешалка с электроприводом

13- подача низкоконцентрированного раствора в ВА

14- слив готового упаренного раствора

15- эрлифтный насос для подъема раствора (airlift) газ + вохдух подаются под давлением →выход через эрлифт

16- переточная труба

Упаривание происходит за счет горящего факела, помещенного непосредственно в раствор (розжиг горелки производится не в растворе).

6. Классификация ВА

I По принципу работы

1. Непрерывного действия

2. Периодического действия

II По конструкции

Смотри рисунки выше(1-5)

III По виду греющего теплоносителя

1. С паровым обогревом

2. С электрическим обогревом

3. С водяным обогревом

4. С обогревом дымовыми газами

5. С обогревом жидким теплоносителем, имеющим высокую температуру кипения при низких давлениях.

IV По способу циркуляции

1. С естественной циркуляцией

Дата добавления: 2014-12-16