3.Тепловой расчет мву(располагаемая и полезная разности температур.)

Целью теплового расчета является определение площади поверхности нагрева отдельных ступеней при заданных условиях теплового режима ( температуре греющего пара, охлаждающей воды, раствора, начальной и конечной концентрациях раствора) или выявление оптимального режима работы установки при заданных площадях поверхности нагрева.

В результате расчетов определяется:

1). расход греющего пара; 2). параметры пара и раствора по отдельным ступеням установки; 3). площади поверхностей нагрева отдельных ступеней; 4). количество отбираемого экстропара для предварительного подогрева раствора начальной концентрации.

Расчет обычно проводят методом последовательных приближений.

Общая располагаемая разность температур – это разность между температурой греющего пара t₁ , поступающего в первую ступень установки и температурой вторичного пара из последней ступени при входе в конденсатор: Δt_общ = t₁ – t_к

Полезная разность температур – это разность между общей располагаемой разностью и тепловыми потерями

Рассмотрим изменение температуры в одноступенчатой выпарной установке:

1. Греющий пар: Греющий пар подается в установку с параметрами (.) а с температурой t₁ .

ав – процесс конденсации пара , проходит при t₁ = const.

В случае использования перегретого пара его температура соответсвует (.)а', а линия а' а" – соответствует охлаждению перегретого пара. Процесс конденсации греющего пара при t₁ = const по линии а-в'. Линия в-в' соответсвует охлаждению конденсата на выходе их выпарного аппарата.

В тепловых расчетах обычно перегрев пара и охлаждение конденсата не учитывают.

2. Изменение температуры раствора: Раствор в греющих трубках кипит при разных температурах:

t_р' – температура кипения раствора в нижней части трубок; t_р" – температура кипения раствора в верхней части трубок. t_р' > t_р"

Изменение температуры кипения раствора происходит за счет неодинакового гидростатического давления раствора по высоте трубок. На поверхности кипящего раствора давление равно давлению пара над раствором. Давление в нижней части труб превышает давление пара на величину ΔР₂ = Н*ρ*g , где Н- высота столба раствора от нижней трубной решетки до поверхности испарения; ρ – плотность раствора.

Средняя величина гидростатического давления, которая принимается в расчетах, определяется: Δp= (h_изб + h_тр/2)ρ g, где

h_изб – высота слоя жидкости над греющими трубками.

т.С – точка, характеризующая среднюю температуру кипения раствора в данной ступени многоступенчатой выпарной установки.

Разность температур кипения раствора на нижнем и верхнем уровне греющих трубок является потерей общей разности температур в выпарной установке вследствие изменения гидростатического давления и называется гидростатической температурной депрессией – Δ₂.

3. Температура вторичного пара: соответствует (.) е - температура чистого растворителя при давлении в надрастворном пространстве. Температура вторичного пара всегда ниже температуры раствора на величину Δ₁ , которая называется физикохимической температурной деп рессией.

Вторичный пар из выпарного аппарата проходит через брызгоотделитель, запорную арматуру и тд при этом теряется давление пара на преодоление гидравлического сопротивления и понижается его температура. Температура вторичного пара при входе в конденсатор из-за этих потерь будет ниже его температуры над зеркалом испарения. Эта разность температур составляет 1-1,5 градуса и называется Δ₃ – гидравлическая температурная депрессия.

Полная температурная депрессия: Δ= Δ₁ +Δ₂ +Δ₃

Полезная разность температур в 1 ступенчатой выпарной установке:

Δt_пол = Δt_общ –( Δ ₁ +Δ ₂ +Δ ₃)

Полезная разность температур в многоступенчатой выпарной установке:

Δt_пол = Δt_общ –( ∑Δ ₁ +∑Δ ₂ +∑Δ ₃)

Тепловой расчёт МВУ (распределение полезной разности температур по ступеням установки)

1. F поверхности нагрева всех ступеней установки д.б. одинаковой F1=F2=…=Fn

Суммарная полезная разность t для любой ступени многоступенчатой выпарной установки пропорциональна отношением тепл нагрузок коэф-ом теплопередачи данной ступени

Δ t_пол = Δ t₁+ Δ t₂+ …+ Δ t_n или Q₁/ k₁ Δt₁= Q₂/ k₂ Δt₂= …= Q_n/ k_n Δt_n

Следовательно Δ t₂ = Δ t₁ (Q₂/ Q₁)(k₁/k₂) ; Δ t₃ = Δ t₁ (Q₃/ Q₁)(k₁/k₃)

Проссумировав левые и правые части данных равенств получаем, что для любой ступени МВУ полезная разность температур равна: Δ t_п = Δ t_пол(Q_пk_п/Σ Q_ik_i)

Т е суммарная полезная разность температур распределяется по ступеням при равенстве их площадей поверхностей нагрева пропорционально соотношению теповых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

При равенстве тепловых нагрузок: Δ t_п = Δ t_пол(k_п/Σ k_i)

2. Суммарная F пов-ти нагрева всех ступеней уст-ки д.б. минимальной Fобщ= F1+F2+…+Fn =Fмин

Полезная разн-ть t для любой ступени многоступенчатой выпарной уст-ки пропорц-на квадратному корню из отношения тепл нагрузок коэф-ом теплопередачи данной ступени Δ t_п = Δ t_пол√√(Q_nk₁/Σ Q₁k_n)

При рав-ве тепл нагрузок Δ t_п = Δ t_пол√ (k_п/Σ k_i)

3. Суммарная F пов-ти нагрева д.б. минимальной и равна (наиболее желаемый вариант) F1=F2=…=Fn и F1+F2+…+Fn =Fмин

Данное условие м.б. выполнено только в случае равенства Δ t_пол во всех ступенях МВУ.

Этого м. достичь только при определённых отборах экстра-пара из каждой ступени уст-ки.

4.Материальный баланс конвективной сушилки непрерывного действия с однократным использованием сушильного агента.

Конвективные сушилки: Теплота к материалу в данных сушилках передаётся конвективно от СА, и эти сушилки получили распространение.

В качестве сушильного агента (СА) могут использоваться: горячий воздух, топочные газы, инертные к высушиваемому материалу газы (гелий, азот, СО₂), перегретый пар.

При выборе СА необходимо руководствоваться следующим:

1. Воздух применяют в случаях, когда высушиваемый материал не ухудшает свои свойства в присутствии О₂ и не подвержен разложению при высокой температуре.

2. Топочные газы целесообразно использовать при сушке термостойких материалов, не изменяющих своих свойств при соприкосновении с продуктами сгорания. При использовании топочных газов сушилки достаточно компактны.

3. Азот  используется редко, только в тех случаях когда нежелателен контакт высушиваемого материала, либо удалённого растворителя с О₂. Данные сушилки обычно работают по замкнутому циклу. Оправданный начальный уровень СА 400 ⁰С.

4. Перегретый пар, или пар удалённого растворителя, применяют при температурах от 150-180 ⁰С.

Принципиальная схема сушилки.

Теоретическая сушилка – это воображаемая сушилка с предварительным подогревом СА, в которой отсутствуют потери тепла в окружающую среду, на нагрев транспортных устройств и высушиваемого материала, а температура материала на входе в сушилку и на выходе из неё равна 0 ⁰С.

Основное условие проведения процесса сушки в теоретической сушилке, это постоянство энтальпий СА на входе в сушильной камере и на выходе из неё. I₁=I₂=const.

Материальный баланс.

Количества испаренной из материала влаги и количество су­хого и сырого продукта связаны уравнением баланса сушки.

Введем следующие обозначения:

G₁—количество материала, поступающего в сушилку, кг/ч; G₂ — количество высушенного материала (после удаления части влаги), кг/ч; G_cyx — количество абсолютно сухого материала, из которого удалена вся влага (свободная и связанная), кг/ч; и--начальные влаж­ности материала на общую и абсолютно сухую массу, %; и — конечные влажности материала на общую и абсолютно сухую массу, %; W — количество испаренной влаги, кг/ч.

Пользуясь этими обозначениями, можно написать уравнение мате­риального баланса продукта, подвергающегося сушке:

G₁=G₂+W.

Количества влаги, поступившей в сушилку с сырым материалом и выходящей из сушилки с высушенным материалом, равны

кг/ч, и кг/ч.

Количество испаренной в сушилке влаги

, кг/ч. (а)

Количество абсолютно сухого вещества

Разделив члены уравнения (а) на G₁ и подставив значение G₂/G₁ для влажности на общую массу, получим:

В результате получим основное уравнение материального баланса

Аналогично могут быть получены уравнения материального балан­са для условий, если будет задана влажность материала на сухую массу:

Формулы пересчета одной влажности в другую имеют вид:

Расход воздуха и тепла для испарения 1 кг влаги. Принципиальная схема и процесс сушки на диаграмме. 1- сушилка, 2,3 – подогреватели, 4 – вентилятор.

Напишем уравнение материального баланса сушилки согласно обозначениям на рис:

или

Принимаем, что присосы и утечки воздуха в сушильной системе отсутствуют, т. е.

L₀=L₁=L₂=L= const.

Перепишем последнее уравнение виде:

(6-29)

Поскольку уравнение (6-29) принимает вид: кг/ч.

Обозначив расход воздуха на 1 кг испаренной влаги L/W через l, получим окончательное выражение для определения расхода сухого воздуха на 1 кг испаренной влаги

, кг на 1 кг испаренной влаги.

Расход теплоты на 1 кг испаренной влаги: q=l(I1-I0)=(I1-I0)/(x1-x0)=(I1-I0)/(d1-d0) *1000, [x]= кг/кг, [d]= г/кг

Из этого выражения видно, что удельный расход воздуха зависит только от разности, влагосодержаний отработанного и свежего воздуха. Расход воздуха будет тем больше, чем выше его начальное влагосодержание х₀, которое определяется температурой и относительной влажностью воздуха. Поэтому расход воздуха, при прочих равных условиях, будет возрастать с увеличением х₀ и ₀. Следовательно, расход воздуха на сушку в летних условиях больше, чем в зимних.

5.Расчет теоретической сушилки по I-d-диаграмме. Тепловой баланс теоретической сушильной установки.

Теоретической сушилкой называют воображаемую сушилку с предварительным подогревом сушильного агента, в которой отсутствуют потери тепла в окружающую среду, на нагревание транспортных устройств и высушиваемого материала, а температура материала на входе и выходе из сушильной камеры равна 0 °С.

Тепловой баланс теоретической сушилки имеет вид:

L₀I₀+Qк=L₁I₁=L₂I₂, кДж/ч,

где I₀ , I₁ — энтальпия влажного воздуха, поступающего в калорифер, после него кДж/кг воздуха; I₂ — энтальпия влажного воздуха за сушилкой, кДж/кг воздуха; Qк — количество тепла, сообщаемое воздуху в калорифере, кДж/ч.

При L₀=L₁=L₂=const имеем равенство I₁=I₂=const, показывающее, что в теоретической сушилке процесс сушки идет при постоянной энтальпии влажного воздуха.

Процесс в теоретической сушилке на I-d-диаграмме построен на рис. 1.

Допустим, воздух поступает в калорифер с температурой t₀. Это состояние воздуха отмечено на диаграмме точкой А в месте пересечения изотермы t₀ с линией относительной влажности. Как известно процесс подогрева воздуха в калорифере от t₀ до t₁ протекает при постоянном влагосодержании d₁, поэтому на диаграмме процесс подогрева изобразится вертикалью (АВ), причем точка В расположена на изотерме t₁ затем из точки В с энтальпией (i₁) проводим при i=const адиабату теоретического процесса сушки. Пересечение её с относительной влажностью отработавшего воздуха φ₂ даст точку С с параметрами:t₂, d₂ ,i₂=i₁. Линия ВС является теоретическим процессом. Основное условие проведения процесса в теорет. сушилке - постоянство энтальпий на входе и выходе из сушильной камеры (i₂=i₁=const).

Линия АВ соответствует подогреву воздуха в калорифере: температуры t₀ до температуры t₁. Процесс сушки — затрата тепла на испарение влаги и влагообмен между воздухом и высушиваемым материалом — идет по линии I=const и изображается отрезком ВС.

Расход воздуха в теоретической сушилке согласноуравнению , кг на 1кг влаги,

где d₂—d₀ соответствует отрезку DC, a Md — масштаб по оси влагаосодержаний.

Расход тепла в калорифере на 1 кг испаренной влаги согласно уравнению

кДж на 1 кг влаги.

Разность I₁-I₀ на диаграмме выражается длиной отрезка AВ (мм), умноженной на соответствующий масштаб энтальпии, т. е. I₁-I₀=AB∙MI.

Уравнение теплового баланса сушилки:

Q=l(I₁-I₀)=l(I₂-I₀).

Энтальпия воздуха на выходе их сушильной камеры

Энтальпия свежего воздуха , кДж на 1 кг воздуха,

где x₂=0,001d₂ и x₀=0,001d₀—влагосодержания сушильного агента, кг/кг сухого воздуха; i₂ и i₀ — энтальпии водяных паров, содержащихся в воздухе, кДж/кг.

Теплоемкость сухого воздуха считаем не зависящей от температу­ры, т. е. принимаем, что c₂=с₀ = с_В.

Подставив эти величины в уравнение теплового баланса, получим:

q = l(c_В t₂ + x₂ i₂) — l(c_Вt₀ + x₀i₀) .

Прибавив к правой части этого равенства и вычтя из него величи­ну lx₀i₂ и приняв во внимание, что после несложных преобразований получим выражение для удельного расхода тепла, представ­ляющее собой по существу уравнение теплового баланса теоретической сушилки:

q = l[c_В (t₂ –t₀) +x₀ (i₂ –i₀)]+i₂, кДж на 1-кг влаги. (6-34)

Из полученного уравнения видно, что в теоретической сушилке имеются следующие расходы тепла:

1) q1=i2 — расход тепла на испа­рение влаги из материала;

2) q2 = lc_В(t₂ –t₀) — потери тепла с сушиль­ным агентом, входящим в сушилку с температурой t0 и выходящим из нее с температурой t2;

3) q3 = lx₀ (i₂ –i₀)— потери тепла вследствие уве­личения энтальпий транзитной влаги, содержащейся в сушильном агенте при входе в сушилку.