Тепломассообменное оборудование предприятий: Рабочая программа, задания на контрольные работы, методические указания к выполнению лабораторных работ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра теплотехники и теплоэнергетики

ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ

Рабочая программа Задания на контрольные работы Методические указания к выполнению лабораторных работ

Факультет энергетический Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 650800 – теплоэнергетика 100700 – промышленная теплоэнергетика Направление подготовки бакалавра 550900 – теплоэнергетика

Санкт - Петербург 2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК [621. 1.016.002, 621. 565](076. 5) Тепломассообменное оборудование предприятий: Рабочая программа, задания на контрольные работы, методические указания к выполнению лабораторных работ. - СПб.: СЗТУ, 2004 - 53 с. Методический сборник соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 650800 – «Теплоэнергетика» (специальность 100700 – «Промышленная теплоэнергетика) и направлению подготовки бакалавров 550900 – «Теплоэнергетика». Рассматриваются современные тепломассообменные аппараты; выпарные, сушильные, разделительные установки; вспомогательное оборудование теплотехнологических установок, применяемые в них теплоносители; вопросы очистки промышленных выбросов. Основное внимание обращено на процессы, происходящие в установках, конструкции аппаратов, основы их расчета и проектирования. Приведена рабочая программа дисциплины, представлены варианты заданий на контрольные работы. Методические указания включают общие рекомендации к выполнению лабораторных работ по данной дисциплине, а также последовательное описание каждой лабораторной работы в объеме, достаточном для самостоятельной подготовки к их проведению. Рассмотрено на заседании кафедры теплотехники и теплоэнергетики 26 марта 2004г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 24 мая 2004г. Рецензенты: кафедра теплотехники и теплоэнергетики СЗТУ (зав. кафедрой З.Ф.Каримов, д-р техн. наук, проф.), Н.Н.Гладышев, канд. техн. наук., доц. кафедры теплосиловых установок и тепловых двигателей СПбГТУПР.

Составители: А.И.Оноприенко, доц.; О.В.Шелудько, канд. техн. наук, доц. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004 2

ПРЕДИСЛОВИЕ Целью дисциплины является изучение современных конструкций теплотехнологических аппаратов, методов расчета теплотехнологических схем и процессов, источников и методов использования вторичных энергоресурсов, систем защиты окружающей среды. Задачи изучения дисциплины заключаются в приобретении навыков и умений оценивать, выбирать, оптимизировать и разрабатывать теплотехнологические схемы установок, систем и их элементов. В результате изучения дисциплины студент должен знать: - методы расчета расходов топлива, пара и воды для ведения теплотехнологических процессов; - схемы, состав оборудования и режимы работы современных и перспективных промышленных тепломассообменных установок; - конструктивное оформление тепломассообменных аппаратов и методы их расчета; - способы эффективного использования вторичных энергоресурсов. Студент должен уметь: - выполнять теплотехнические и конструктивные расчеты промышленных тепломассообменных установок, выбирать основное и вспомогательное оборудование; - разрабатывать теплотехнологические схемы установок и систем, обеспечивающие экономичную, надежную и безопасную их работу; - рационально использовать компьютерную технику для выполнения расчетов; - оформлять проектно-конструкторскую документацию. Дисциплина базируется на материалах следующих дисциплин: «Прикладная механика», «Гидрогазодинамика», «Тепломассообмен», «Техническая термодинамика». Дисциплина «Промышленное тепломассообменное оборудование предприятий» является базовой для изучения курсов: «Источники и системы теплоснабжения предприятий», «Технологические энергоносители предприятий», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях». 1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ГОС Основные виды и классификация теплообменного оборудования промышленных предприятий, теплоносителей, их свойства, область применения; рекуперативные теплообменники непрерывного и периодического действия, регенеративные теплообменники с неподвижной и подвижной насадками, газожидкостные и жидкостно-жидкостные смесительные теплообменники: кон3

струкции, принцип действия, режимы эксплуатации; тепловой, гидравлический, прочностной расчеты рекуперативных теплообменников; деаэраторы: назначение, конструкции, принцип действия, основы расчета; испарительные, опреснительные, выпарные и кристаллизационные установки: принцип действия, основные конструкции аппаратов, тепловые схемы и установки; физикохимические и термодинамические основы процессов выпаривания и кристаллизации; основы теплового расчета; перегонные и ректификационные установки: конструкции и принцип действия аппаратов; физико-химические и термодинамические основы процессов перегонки и ректификации, фазовые диаграммы состояния смесей жидкостей; основы кинематики массообмена; материальный и тепловой расчет установки; конструкции, принцип действия и основы расчета абсорбционных и адсорбционных аппаратов; сушильные установки; понятие о процессе сушки; формы связи влаги с материалом; основы кинетики и динамики сушки; принципиальные схемы и конструкции сушильных установок; тепловой баланс конвективной сушильной установки; построение процесса сушки в h-d диаграмме влажного газа; теплообменники-утилизаторы для использования теплоты вентиляционных выбросов, отработанного сушильного агента, низкопотенциальных вторичных энергоресурсов; основные конструкции, принцип действия, основы расчета и подбора стандартного оборудования; вспомогательное оборудование. 1.2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 160 часов) Введение [1], с. 5…12; [2], с. 10…13 Значение дисциплины в формировании инженера-промтеплоэнергетика. Роль отечественной науки в создании тепломассообменных установок, перспективы их разработки и производства в СССР, исходя из задач ускорения научно-технического прогресса в промышленности и энергетике. 1.2.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ, АППАРАТОВ И УСТАНОВОК [1], с. 5…12; [2], с. 10…13 Основные виды теплоэнергетического и теплотехнологического оборудования промышленных предприятий. Наиболее распространенные промышленные тепломассообменные процессы, их теплофизическая сущность. Теплообменные и тепломассообменные аппараты и установки. Классификация тепло4

обменных аппаратов. Перспективные типы теплообменников: тепловые трубы, двухфазные термосифоны. Теплоносители, требования, предъявляемые к ним, основные свойства, области рационального применения. Тепловые процессы в очистке промстоков и выбросов. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение рекуперативного, регенеративного и смесительного теплообменников. 2. Назовите основные типы аппаратов с промежуточным теплоносителем. 3. Перечислите режимы работы теплообменников. 4. Перечислите оборудование тепломассообменной установки. 5. Дайте сравнительную оценку воды, водяного пара и дымовых газов как теплоносителей и ориентировочный диапазон их скоростей в теплообменных аппаратах. 6. Для каких теплоносителей выше затраты мощности на перемещение в каналах - газообразных или капельных жидкостей? 7. Какими свойствами должны обладать высокотемпературные теплоносители и в каких случаях рационально применять их в теплообменниках? 1.2.2. РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ [1], с. 13…56, 73…82; [2], с. 13…57, 87…97 Конструкции рекуперативных теплообменников (кожухотрубчатых, секционных «труба в трубе», спиральных, пластинчатых), их основные элементы и узлы. Компактные аппараты с ребристыми поверхностями теплообмена, способы их изготовления. Последовательность проектирования теплообменных аппаратов, состав проектного расчета. Тепловой конструктивный и поверочный расчеты теплообменников, основные уравнения. Компоновочный расчет кожухотрубчатых и спиральных аппаратов. Гидравлический расчет. Тепловой расчет аппаратов с ребристыми поверхностями теплообмена. Рекуперативные аппараты периодического действия; тепловые балансы, графики температур, нагрузки. Тепловые трубы и двухфазные термосифоны, области применения, расчет передаваемого теплового потока. Методы интенсификации теплообмена.

5

Вопросы и задачи для самоконтроля 1. В каком из теплообменников - кожухотрубчатом или подогревателеаккумуляторе - выше коэффициент теплопередачи при использовании одних и тех же теплоносителей с одинаковыми начальными температурами? 2. Перечислите способы компенсации температурных удлинений в кожухотрубчатых теплообменниках. 3. Если теплоноситель может загрязнить поверхность теплообмена в кожухотрубчатом теплообменнике, куда его следует направлять - в трубки или в межтрубное пространство? 4. Какой из теплообменников удобней чистить: кожухотрубчатый, спиральный или пластинчатый? 5. Какие достоинства и недостатки имеют спиральные и пластинчатые теплообменники по сравнению с кожухотрубчатыми? 6. В каких случаях в теплообменниках целесообразно применять ребристые трубы? 7. Влияет ли технология изготовления ребристой трубы на коэффициент теплопередачи? 8. Какие достоинства и недостатки имеют тепловые трубы и двухфазные термосифоны? 9. Как влияет присутствие неконденсирующегося газа в тепловой трубе на ее теплопередающую способность? 10. Какими факторами ограничивается максимальный тепловой поток для тепловой трубы? 11. Определите расход нагреваемой воды G2 и площадь поверхности нагрева F прямоточного водоводяного теплообменника, если известны: расход греющей воды G1 = 15 кг/с, температура греющей воды на входе и выходе теплообменника t′1 = 120°С, t"1 = 80°С, температура нагреваемой воды на входе и выходе t'2 = 10°С и t′′2 = 60°С, коэффициент теплопередачи k = 1900 Вт/( м2·К) и коэффициент, учитывающий потери теплоты ηп = 0,98. 12. В противоточный водоводяной теплообменник, имеющий площадь поверхности нагрева F = 2м2, греющая вода поступает с температурой t′1 = 90°С, ее расход G1 = 0,3 кг/с. Расход нагреваемой воды G2 = 0,5 кг/с, и ее температура на входе в теплообменник t′2 = 30°С. Определите тепловую нагрузку теплообменника Q и конечные температуры теплоносителей t"1 и t"2, если известно, что коэффициент теплопередачи от нагретой воды к холодной k =1400 Вт/( м2·К). 13. Для пароводяного кожухотрубчатого теплообменника определите число труб n, число ходов в трубном пучке zт и внутренний диаметр корпуса аппарата Dв, если известно: площадь поверхности теплообмена F = 300 м2, внутренний и наружный диаметры труб dв/dн.= 18/20 мм, длина труб L = 4 м, расход воды Gт =120 кг/с, скорость воды в трубах ωт = 1,5 м/с, средняя 6

температура воды t = 60°С. Значения шага труб s и коэффициента заполнения трубной решетки η оцените самостоятельно. 14. Для спирального теплообменника определите наружный диаметр спирали Dн при следующих исходных данных: площадь поверхности теплообмена F = 80 м2, ширина и высота поперечного сечения прямоугольных каналов, образованных соседними спиралями соответственно b = 8 мм и h = 1 м; толщина спиралей δ = 3 мм, диаметр первого витка d = 0,З м. 15. Определите коэффициент теплопередачи для теплообменника, выполненного из латунных труб с поперечными круглыми наружными ребрами, при следующих условиях: диаметр труб dв/dн =22/24 мм, коэффициент теплопроводности материала стенки и ребер λ ст = λр =105 Вт/( м·К), наружный диаметр ребер Dр = 48 мм, толщина ребер δр = 3 мм, шаг ребер sр = 5 мм, коэффициент теплоотдачи от горячего воздуха к ребристой поверхности α1 = 60 Вт/(м2·К), коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки труб к охлаждающей воде α2 = 7000 Вт/( м2·К). Термическим сопротивлением контакта между поверхностью трубы и ребер можно пренебречь. 16. Рассчитайте площадь поверхности нагрева водонагревателя-аккумулятора с водяным обогревом для нагревания в течение времени τ =5 ч массы воды М2 = 10 т от начальной температуры t′2 = 10°С до конечной температуры t′′2 = 50°С при расходе греющей воды G1 =1,1 кг/с и температуре на входе t′1 = 70°С. При расчете принять: коэффициент теплопередачи k = 500 Вт/(м2·К), удельная теплоемкость воды с = 4,19 кДж/(кг·К). 17. Определите тепловой поток Q, передаваемый вертикально расположенным двухфазным термосифоном, заполненным водой и выполненным из медной трубы диаметром dв/dн =21/25 мм. Транспортная зона отсутствует, длина конденсатора равна длине испарителя, т. е. Lк= Lи = 0,5 м. Температура наружной стенки испарителя tи = 90°С, температура наружной стенки конденсатора tк = 70°С. При расчете принять: коэффициент теплопроводности меди λ = 350 Вт/(м·К), коэффициент теплоотдачи в испарителе αи = 18 000 Вт/(м2·К), коэффициент теплоотдачи в конденсаторе αк = б000 Вт/(м2·К). 18. Определите предельный тепловой поток Q, ограниченный капиллярными силами, для горизонтально расположенной тепловой трубы. Корпус трубы и сетчатая капиллярная структура выполнены из нержавеющей стали, в качестве теплоносителя используется вода, температура насыщения которой tн =107 °С. Тепловая труба имеет следующие геометрические характеристики: диаметр корпуса dв/dн = 23/25 мм, длины испарителя, конденсатора и транспортной зоны соответственно Lи = 0,2 м, Lк = 0,25 м, Lт = 0,З м, толщина капиллярной структуры δф =1,2 мм, коэффициент проницаемости фитиля К = 0,77 ⋅10-10 м2, радиус капиллярных пор R = 0,06 мм. 19. Определите перепад давления ∆р в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника с поперечными перегородками. Теплоноситель 7

- вода, средняя температура которой t в = 30°С. Характеристики межтрубного пространства: диаметр трубы dн = 25 мм, число рядов труб z = 9, количество перегородок n = 18. Скорости: поперечная в узком месте диаметрального сечения между перегородками wпоп = 0,5 м/с, продольная в вырезах поперечных перегородок wпр = 0,6 м/с, в штуцерах wшт = 0,7 м/с.

1.2.3. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ [1], с. 13…56, 73…82; [2], с. 13…57, 87…97 Конструкции регенеративных теплообменников (с неподвижной и вращающейся насадкой, с промежуточным твердым сыпучим теплоносителем), области их применения. Типы насадок, требования, предъявляемые к ним. Перспективы развития регенеративных аппаратов. Теплообмен и поля температур в регенераторах, коэффициент аккумуляции теплоты, тепловой расчет регенеративных теплообменников. Аппараты с кипящим слоем и особенности их теплового расчета.

Вопросы и задачи для самоконтроля 1. Какие преимущества и недостатки имеют регенеративные аппараты по сравнению с рекуперативными? 2. Какие насадки обладают большим значением коэффициента аккумуляции теплоты, керамические или металлические? 3. Когда выше средняя температура поверхности насадки в течение цикла: в период нагревания или в период охлаждения? 4. В каком случае следует учитывать лучистый теплообмен: при передаче теплоты от горячих газов к насадке или при передаче от насадки к нагреваемому воздуху? 5. Какие преимущества и недостатки псевдоожижения? 6. Объясните физическую сущность образования кипящего слоя. Как происходит изменение перепада давления, высоты материала и коэффициента теплоотдачи с повышением скорости газа? 7. Определите коэффициент аккумуляции теплоты η для кирпичной насадки высокотемпературного регенератора, если известны: половина толщины кирпича s = 25 мм, коэффициент температуропроводности насадки a = 5,6 *10-5 м2/с, продолжительность одного цикла работы регенератора τц = 2 ч. 8. Для регенератора рассчитайте коэффициент теплопередачи k и количество передаваемой теплоты Q за время одного цикла при следующих исходных данных: площадь поверхности насадки F = 2000 м2, средние температуры дымовых газов и нагреваемого воздуха соответственно t г = 800°С и tо = 500°С, 8

время цикла τц =1 ч, продолжительности периодов нагрева и охлаждения одинаковы τн = τо = 0,5 τц, коэффициент теплоотдачи от дымовых газов αн = 100 Вт/(м2·К), коэффициент теплоотдачи к воздуху αо = 30 Вт/(м2·К), толщина кирпича δ = 40 мм, коэффициент температурного гистерезиса ξ = 3, теплофизические характеристики материала насадки: λ = 1,2 Вт/(м·К), с = 1,05 кДж/ (кг К), ρ = 2000 кг/м3. 9. Слой материала с насыпной плотностью ρнас = 1400 кг/м3, состоящий из твердых частиц с эквивалентным диаметром d = З мм, продувается дымовыми газами, для которых известны: плотность ρ = 0,275 кг/м3 и коэффициент кинематической вязкости ν = 1,74 * 10-4 м2/с. Определите: скорость начала псевдоожижения w′о, скорость начала уноса частиц w′′о, оптимальную скорость газа w′опт в ламинарной области, соответствующую максимальному значению коэффициента теплоотдачи.

1.2.4. ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ [1], с. 104…145; [2], с. 110…149 Цели и методы выпаривания. Выпарные установки с аппаратами поверхностного и контактного типов, адиабатного испарения. Области применения выпарных установок, технологические свойства растворов. Конструкции выпарных аппаратов, сепараторы и брызгоотделители. Материальный и тепловой балансы выпарного аппарата, особенности теплообмена. Схемы многоступенчатых выпарных установок. Вспомогательное оборудование. Использование вторичных энергоресурсов. Система уравнений материального и теплового балансов. Располагаемая и полезная разности температур. Распределение полезной разности температур по ступеням. Тепловой расчет многоступенчатой выпарной установки. Технико-экономические показатели. Оптимальное число ступеней установки. Выпарные установки для очистки сточных вод.

Вопросы и задачи для самоконтроля 1. Чем отличается выпаривание водных растворов от испарения чистой воды? 2. Как изменяется коэффициент теплоотдачи от стенки кипящему раствору с повышением концентрации раствора? 3. Назовите основные методы выпаривания растворов. 4. Какие три вида депрессий приходится учитывать при расчете выпарной 9

установки и какая из них имеет наибольшее значение? 5. Какие преимущества имеет применение вакуума в выпарной установке? 6. Для каких целей применяют выпарные установки с тепловыми насосами? 7. Какое значение имеет многоступенчатый принцип выпаривания? 8. Назовите источники вторичной теплоты в выпарных установках и пути ее использования. 9. Как определить располагаемую и полезную разности температур при тепловом расчете выпарной установки? 10. Напишите уравнения материального и теплового балансов для выпарного аппарата. 11. Определите, пользуясь законом Бабо, температуру кипения t′′р и температурную депрессию ∆1 для водного раствора хлористого кальция при давлении рр′′ = 0,198 МПа, если температура кипения его при атмосферном давлении (рр′ = 0,101 МПа) составляет tн′ = 115°С. 12. Определите располагаемую ∆tобщ и полезную ∆tпол разности температур в выпарном аппарате поверхностного типа с барометрическим конденсатором при выпаривании водного раствора КОН. Температура вторичного пара на входе в конденсатор tк = 80°С, температура греющего пара t1 = 140°С. Значения температурной, гидростатической и гидродинамической депрессий примите соответственно: ∆1 = 24 К, ∆1 = 2 К, ∆3 = 1 К. 13. Производительность выпарной установки для очистки промышленных сточных вод при начальной концентрации примесей bн = 2 % составляет Gн = 0,75 кг/с. Рассчитайте производительность установки по очищенной воде W и по концентрированным стокам Gк, если конечная концентрация примесей bк = 30 %. 14. Определите расход греющего пара D в многоступенчатой выпарной установке для опреснения морской воды с производительностью по исходной воде Gн = 6 кг/с, если известны режимные характеристики первого аппарата: производительность по дистилляту W = 4 кг/с, температура морской воды на входе в аппарат tн = 90 °С, температура кипения tк = 110°С, энтальпия вторичного пара hв п = 2683 кДж/кг, энтальпия греющего пара hг = 2706 кДж/кг, энтальпия конденсата греющего пара h = 504 кДж/кг, потерями теплоты в окружающую среду можно пренебречь.

1.2.5. СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ [1], с. 146…165; [2], с. 60…86 Технологические процессы и установки с тепломассообменом. Физические свойства влажного воздуха, h-d - диаграмма влажного воздуха, изображение на ней процессов рекуперативного нагревания и охлаждения, смешения потоков, адиабатного испарения. 10

Конструкции аппаратов с непосредственным контактом газов и жидкости: скрубберы (полые, насадочные, тарельчатые, пенные, с псевдоожиженной насадкой, Вентури), камеры орошения систем кондиционирования воздуха. Материальные и тепловые балансы. Методы расчетов аппаратов. Вопросы и задачи для самоконтроля 1. Почему энтальпию и влагосодержание воздуха рассчитывают на 1 кг сухого воздуха? 2. При какой относительной влажности воздуха температура мокрого термометра равна температуре сухого термометра? 3. Какую воду, холодную или горячую, следует применять для осушения воздуха, какую для его увлажнения? 4. Какая температура является пределом нагревания или охлаждения воздуха в скруббере? 5. Перечислите достоинства и недостатки скрубберов с насадкой и без нее. 6. Определите тепловой поток Q, который необходимо отводить в рекуперативном воздухоохладителе, и количество выпадающей на его поверхности влаги W, если при температуре воздуха t1 = 60°С и его относительной влажности ϕ1 = 30 % производительность воздухоохладителя L = 3О м3/с, Охлаждение воздуха производится до t2 = 30°С. 7. Смешиваются L1 = 1000 кг воздуха с температурой t1 = 20°С, относительной влажностью ϕ1 = 60% и L2 = 3000 кг воздуха с параметрами t2 =50°С, ϕ2 = 50%. Для полученной смеси определите по h-d - диаграмме следующие параметры: энтальпию hсм, влагосодержание, температуру tсм и относительную влажность ϕсм. 8. Определите тепловой поток Q, переданный в скруббере, и расход охлаждающей воды Gв, если в скруббер поступает воздух в количестве L = 3 кг/с при температуре t' = 150°С c энтальпией h' = 418 кДж/кг и выходит из него с энтальнией h" = 209 кДж/кг. Охлаждающая вода имеет температуру на входе tв' = 15°С и на выходе tв"= 55°С.

1.2.6. СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ [1], с. 166…220; [2], с. 181…229 Методы обезвоживания влажных материалов. Области применения тепловой сушки. Классификация сушилок в зависимости от способа подвода теплоты. Формы связи влаги с материалом, влагосодержание. Кинетика и динамика сушки. Расчет продолжительности сушки. Конвективная сушка. Материальный и тепловой балансы конвективных сушильных установок. Теплотехнологические схемы установок. Расчет расхода воздуха и теплоты. 11

Аппаратурно-технологическое оформление процессов сушки. Сушка жидкотекучих, твердых, дисперсных и ленточных материалов. Перспективы развития сушильной техники, роль ее в системе защиты окружающей среды.

Вопросы и задачи для самоконтроля 1.Удаляется ли из материалов при сушке химически связанная влага? 2. Какое конечное влагосодержание должен иметь материал, чтобы отсутствовал период падающей скорости сушки? 3. Что такое равновесное влагосодержание материала и как оно изменяется с повышением и понижением температуры и относительной влажности сушильного агента? 4. От каких параметров зависит интенсивность испарения влаги с поверхности материала? 5. Напишите дифференциальное уравнение стационарного переноса влаги в материале при низкотемпературной сушке. 6. Чем отличается действительная сушилка от теоретической? 7. Изобразите в h-d - диаграмме процессы в действительной сушилке с однократным использованием сушильного агента при различном соотношении величин теплопотерь и теплопритоков. 8. Какие преимущества и недостатки имеют сушилки на горячем воздухе с рециркуляцией и промежуточным подогревом по сравнению с сушилкой с однократным использованием сушильного агента? 9. Укажите, какие материалы целесообразно сушить в барабанных и распылительных сушилках, пневмосушилках и сушилках с кипящим слоем. 10. Влажный материал в количестве G1 = 0,3 м3/с с начальным влагосодержанием w1c = 45% подается в сушильную установку. Конечное влагосодержание высушенного материала w2c = 5%. Определите количество испаряемой влаги W и производительность установки по высушенному продукту G2. 11. Определите расходы сухого воздуха L и теплоты Q в теоретической сушилке, если количество удаляемой влаги W = 0,03 кг/с, начальное состояние воздуха (до калорифера): to = 15°С, ϕo = 90%, а на выходе из сушки: t2 = 43 °С, ϕ2 = 50 %. 12. Определите расходы воздуха L и теплоты Q в барабанной сушилке при следующих условиях: количество удаляемой влаги W = 0,05 кг/с, температура и относительная влажность воздуха перед калорифером соответственно to = 20°С и ϕo = 60 %, температура воздуха после калорифера t1 = 150°С, относительная влажность на выходе из сушилки ϕ2 = 80%, удельная физическая теплота влаги, вносимой с сушильным материалом, qвл = 42 кДж/кг, удельные тепловые потери на нагрев материала qн = 1180 кДж/кг и удельные потери на окружающую среду qп = 960 кДж/кг. 12

1.2.7. ПЕРЕГОННЫЕ И РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ [1], с. 221…251; [2], с. 152…180 Назначение, принцип действия и классификация перегонных и ректификационных установок. Физико-химические свойства бинарных смесей. Законы Рауля, Дальтона и Коновалова. Азеотропные смеси. Фазовая t, y, х -диаграмма и у-х -диаграмма равновесия бинарных смесей. Расчет ректификационных колонн (метод теоретических тарелок и метод числа единиц переноса). Влияние флегмового числа на экономичность колонны. Конструкции тарельчатых, сетчатых и насадочных колонн. Схемы ректификационных установок для многокомпонентных смесей. Тепловой баланс ректификационной колонны. Охрана труда и меры противопожарной безопасности при ректификации. Перегонка в процессах обезвреживания промстоков.

Вопросы и задачи для самоконтроля 1. Чем отличается перегонка жидких смесей от выпаривания, от ректификации? 2. В чем различие перегонных и ректификационных установок? 3. Какие смеси подчиняются закону Дальтона, а какие - закону Дальтона и Рауля? 4. Что такое азеотропное состояние смеси и можно ли разделить азеотропную смесь на составляющие компоненты? 5. Составьте общее уравнение материального баланса для ректификационной колонны по низкокипящему компоненту. 6. Поясните физический смысл минимального, оптимального и рабочего флегмовых чисел. 7. Как влияет увеличение флегмового числа на число тарелок ректификационной колонны, расход пара и охлаждающей воды в дефлегматоре? 8. Составьте уравнение для каждого из членов теплового баланса ректификационной колонны. 9. Как осуществляется взаимодействие пара и жидкости в различных конструктивных типах ректификационных колонн? 10. Производительность ректификационной колонны для разделения бинарной смеси по дистилляту D = 150 кмоль/ч. Определите расход исходной смеси F и выход остатка W, если концентрация низкокипящего компонента: в исходной смеси хF = 0,24, в дистилляте хD = 0,95, в остатке хW. = 0,03. 11. Определите действительное число тарелок ректификационной колонны, в которой при атмосферном давлении происходит разделение бинарной смеси четыреххлористый углерод - толуол. Концентрация низкокипящего компонента (четыреххлористый углерод): в исходной смеси хF = 0,5, в дистилляте хD = 0,89, 13

в остатке хW = 0,1. Число тарелок определите по диаграмме равновесия, если КПД тарелки η = 0,5, коэффициент избытка флегмы ε = 2.

1.2.8. СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ [1], с. 252…259 Виды и назначение сорбционных процессов. Абсорбционные процессы и установки. Основные законы. Материальный баланс. Процессы в у, х диаграмме. Принципиальные схемы абсорбции. Адсорбционные процессы и установки. Адсорбенты. Изотерма адсорбции. Принципиальные схемы адсорбции. Сорбционные процессы в очистке газовых выбросов.

Вопросы и задачи для самоконтроля 1. Перечислите требования, предъявляемые к абсорбентам и адсорбентам. 2. Почему на диаграмме равновесия рабочая линия располагается выше равновесной? 3. Как влияют изменения расхода абсорбента на число ступеней в абсорбере? 4. В чем заключается преимущество применения при абсорбции многоступенчатых схем перед одноступенчатыми? 5. Определите расход абсорбента (серной кислоты) L для осушки воздуха при следующих данных: производительность скруббера по воздуху G = 6000 кг/ч, начальная концентрация влаги в воздухе Yн = 0,016, конечная концентрация Yк = 0,006, начальная концентрация воды в абсорбенте Хн = 0,6, конечная концентрация Хк = 1,4. 6. Для абсорбера определите коэффициенты массопередачи ky и kx, отнесенные соответственно к движущей силе в паре и жидкости, если уравнение равновесия имеет вид у* = 35,1х, а фазовые коэффициенты массоотдачи равны βу = 1,07 кмоль/(м2 r ∆у), βx = 22 кмоль/(м2 r ∆х).

1.2.9. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ УСТАНОВОК [1], с. 297…318; [2], с. 248…261 Сифонные устройства и газлифтные подъемники. Оборудование для разделения неоднородных жидкостей. Пылеочистные устройства. Брызгоотделители. Барометрические конденсаторы. Вакуум-насосы. Конденсатоотводчики. Сосуды и резервуары. Дробилки и мельницы. Дозаторы и питатели. 14

Вопросы для самоконтроля 1. В каких случаях для перемещения жидкостей применяют сифоны и газлифтные подъемники? 2. Для разделения каких неоднородных смесей применяют отстойники, фильтры и центрифуги? 3. Перечислите особенности применения циклонов и батарейных циклонов. 4. Для каких целей в выпарных установках применяют брызгоотделители и барометрические конденсаторы? 5. Назовите типы конденсатоотводчиков и объясните принципы их работы.

1.3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ (для студентов очно-заочной формы обучения) (44 часа) Темы лекций Объем, часы 1. Введение. Основные виды промышленных тепломассообмен2 ных процессов, аппаратов, установок……………………………….. 4 2. Рекуперативные теплообменные аппараты………………………. 4 3. Регенеративные теплообменные аппараты………………………. 4. Выпарные установки, конструкции; сепараторы, брызгоотдели4 тели. Материальный и тепловой балансы выпарного аппарата…… 5. Схемы многоступенчатых выпарных установок. Вспомогатель2 ное оборудование……………………………………………………. 4 6. Смесительные теплообменные аппараты………………………… 7. Методы обезвоживания влажных материалов. Классификация 4 сушилок. Материальный и тепловой баланс сушильных установок 8. Теплотехнологические схемы сушильных установок. Расчет расхода воздуха и теплоты. Перспектива развития сушильной 4 техники………………………………………………………………… 4 9. Перегонные и ректификационные установки……………………. 4 10. Расчет ректификационных колон………………………………... 4 11. Сорбционные процессы и установки……………………………. 12. Вспомогательное оборудование тепломассообменных устано4 вок……………………………………………………………………..

15

1.4. ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (8 часов) Темы лабораторных работ Объем, часы 1. Испытание рекуперативного теплообменного аппарата………... 4 2. Определение параметров влажного воздуха и характеристик тепломассообмена…………………………………………………… 2 3. Исследование кинетики сушки и тепломассообмена между поверхностью влажного материала и сушильным агентом…………... 2

1.5. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (4 часа) Темы практических занятий Объем, часы 1. Рекуперативные теплообменные аппараты………………………. 2 2. Выпарные установки……………………………………………… 2

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Промышленные тепломассообменные процессы и установки / Под ред. Бакластова А. М. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 328 с. 2. Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. - М.: Энергия, 1972. - 320 с. Дополнительный: 3. Зысин Л. В., Филатов В. В. Тепломассообменные промышленные установки; Учеб. пособие. - Л.: СЗПИ, 1986. - 75 с. 4. Григорьев В. А., Крохин Ю. И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники. - М.: Энергоиздат, 1982. - 312 с. 5. Промышленная теплоэнергетика; Справочник / Под обш. ред. Григорьева В. А. и Зорина В. Н. - М.: Энергоиздат, 1983. - 552 с. 6. Лебедев П. Д., Щукин Л. А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий: Курсовое проектирование. -М.: Энергия, 1970. - 408 с.

3. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ Студент должен выполнить две контрольные работы, каждая из которых включает одну задачу. Из предложенных ниже двух задач в каждой контрольной работе студент выбирает ту, которая больше соответствует его производственной деятельности. Вариант контрольного задания определяется двумя-тремя 16

последними цифрами шифра. Контрольные работы должны быть аккуратно выполнены в отдельной тетради или на листах писчей бумаги и сброшюрованы. Следует полностью переписывать условие задачи и сопровождать ее решение краткими пояснениями. При выполнении расчетов надо вначале выписать формулу, затем подставить числовые значения входящих в нее величин и после этого записать результат вычислений. Буквенные обозначения и размерности физических величин должны соответствовать международным стандартам. Эскизы, схемы и графики необходимо выполнять карандашом с применением чертежных принадлежностей. Выкопировки на кальке, а также графики, построенные на миллиметровой бумаге, вклеиваются в работу.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1 Задача 1 По результатам теплового, гидравлического и технико-экономического расчетов выбрать оптимальный вариант нормализованного спирального теплообменника (рис. 2.1) при следующих исходных данных, определяемых по последней и предпоследней цифрам шифра студента (табл. 1): расход греющего теплоносителя G1, его температура на входе в теплообменник t′1 и выходе из теплообменника t″1, температура нагреваемого теплоносителя на входе и выходе соответственно t′2 и t″2.

17

Рис. 2.1 Таблица 1 Параметры 1

2

G1, кг/с t′1, °С t″1, °С

38 130 90

35 135 92

t′2, °С t″2, °С

16 46

18 50

Варианты и исходные данные 3 4 5 6 7 8 Последняя цифра шифра 32 29 26 23 20 17 140 145 150 155 160 165 94 96 98 100 102 104 Предпоследняя цифра шифра 20 22 24 26 28 30 54 58 62 66 70 74 18

9

0

14 11 170 175 106 108 32 78

34 82

Для всех вариантов одинаковыми принять следующие исходные данные: греющий и нагреваемый теплоносители - оборотная вода, схема движения теплоносителей противоточная, коэффициент потерь теплоты в теплообменнике ηп = 0,98, материал спиралей - углеродистая сталь с коэффициентом теплопроводности λ = 50 Вт/(м⋅К), толщина спиральной ленты δ = 0,004 м, термические сопротивления загрязнений на поверхности спиральной ленты со стороны R2 = греющего и нагреваемого теплоносителей R1 = 2⋅10-4 м2⋅К/Вт и -4 2 3⋅10 м ⋅К/Вт, сумма коэффициентов местных сопротивлений в каждом канале теплообменника Σζ = 3, КПД насосных установок для подачи теплоносителей η = 0,63, цена электроэнергии Цэ = 0,02 руб./кВт⋅ч, число часов работы оборудования τр = 8000 ч/год. Оптимизацию теплообменника выполнить для трех значений ширины канала: b = 0,008, b = 0,012 и b = 0,016 м. В качестве критериев оптимальности (КО) принять: запас по поверхности теплообмена ∆F, коэффициент компактности Кк, коэффициент металлоемкости Км, энергетический коэффициент Ке и приведенные затраты Рs. Вычертить эскиз теплообменника с указанием конструктивных размеров. Построить графики зависимости КО от ширины канала, в выводах указать оптимальный вариант нормализованного теплообменника. Выполняется расчет теплового режима теплообменника. Тепловая нагрузка теплообменника Q = G1с1 (t1' – t1") ηп. Расход нагреваемой среды G2 = Q / [с2 (t2" – t2')]. Значения удельных теплоемкостей с1 и с2 определяются интерполяцией по таблице теплофизических свойств воды при средних температурах теплоносителей, рассчитываемых первоначально как средние арифметические из температур на входе и выходе теплообменника. Средняя логарифмическая разность температур ∆t = (∆tσ - ∆tм ) / ln (∆tσ / ∆tм ), где ∆tσ и ∆tм - большая и меньшая крайние разности температур. Водяные эквиваленты теплоносителей W1 = G1с1;

W2 = G2с2. 19

Уточнение средних температур теплоносителей, делается в зависимости от соотношения водяных эквивалентов. Если W1 > W2, то t1 = 0,5 (t1' + t1") и t2 = t1 – ∆t. Если W1 < W2, то t2 = 0,5 (t2' + t2") и t1 = t2 + ∆t. По полученным значениям t1 и t2 уточняются значения с1, с2, Q и G2. При этих температурах в дальнейшем определяются остальные теплофизические характеристики теплоносителей. Производится приближенная оценка площади поверхности теплообмена Fо по ранее принятым значениям α1 и α2. Коэффициент теплопередачи К = (1/α 1 + R1 + δ/λ + R2 + 1/α 2)-1. Площадь поверхности теплообмена Fo = 103Q/(К∆t). Выбор площади поверхности теплообмена нормализованного теплообменника F выполняется по значению Fo. В соответствии с ГОСТ 12067 - 72 это может быть либо ближайшее большее значение поверхности теплообмена F, либо ближайшее меньшее значение, но не меньше 0,98 Fo. Из таблицы технических характеристик спиральных теплообменников определяются: площадь поверхности теплообмена F, ширина спиральной ленты Н, длина спирального канала L, масса теплообменника М, его объем V и условный диаметр штуцеров dу. Здесь же рассчитываются остальные характеристики нормализованного теплообменника. Шаг спиралей e =b + δ. Диаметр первого полувитка спиралей d1 = 3dy. Параметр спиралей х = 0,5 (d1/е - 1). Количество витков спиралей 20

n = [2L/(πе) + х2]0,5 - х. Наружный диаметр спиралей d2, = d1 + 2nе + δ. Средний радиус кривизны спиралей R = 0,25(d1 + d2). Эквивалентный диаметр канала d = 2b. Площадь поперечного сечения каналов для прохода теплоносителей fк = Hb. Критическое число Рейнольдса, соответствующее возникновению развитого турбулентного течения в криволинейных каналах теплообменника, Rеk = 18500/(d/2R)0,28. Выполняется расчет коэффициентов теплоотдачи для выбранного нормализованного теплообменника. Вначале производится расчет для греющего теплоносителя. Температура стенки канала tc1 = t1 – К∆t/α1. Cредняя скорость теплоносителя w1 = G1/(fkp1). Число Рейнольдса Re = w1d/ν1. Уравнение подобия для расчета числа Нуссельта Nu1 = 0,021 Rе10,8Pr1о,43(Рг1/Ргc1)0,25εR1, 21

где Рг1 и Ргc1 - числа Прандтля при температурах t1 и tc1 соответственно; εR1 поправка на интенсификацию теплообмена за счет кривизны канала. Если Rе1 ≥ Rеk, то режим течения в канале турбулентный со вторичной циркуляцией и εR1 = 1 + 1,8 D/R. Если Rе1 < Rеk, то режим течения ламинарный со вторичной циркуляцией и εR1 = 1. Коэффициент теплоотдачи α1 = Nu1λ1/d. Аналогично выполняется расчет для нагреваемого теплоносителя. Осуществляется уточненный расчет площади поверхности теплообмена Fp по рассчитанным значениям коэффициентов теплоотдачи. Для этого используются те же формулы. Производится сравнение уточненной площади поверхности теплообмена Fp с ранее принятой площадью поверхности теплообмена Fо или определенной на предыдущей итерации, а также окончательный выбор нормализованного теплообменника. Выполняется гидравлический расчет теплообменника. Сначала рассчитываются гидравлические характеристики для греющего теплоносителя. Коэффициент сопротивления трения ξ1 = (1,821gRe – 1,64)-2 εR1. Объемный расход среды V1 = G1/ρ1. Скорость среды в штуцере wy1 = 4V1/(πdy2). Перепад давления ∆p1 = ξ1Lρ1w12/(2d) + Σξ ρ1wy12/2. Мощность электродвигателя насоса N1 = 10-3V1∆ρ1/η. 22

Аналогично выполняется расчет для нагреваемого теплоносителя. Производится технико-экономический расчет. Цена теплообменника Ц =2,81 М0,8. Цена каждого насоса Ц1(2) = 58,1 N1(2)0,463. Приведенные затраты Ps = 0,35(Ц + Ц1 + Ц2) + (N1 + N2) Цэτρ. Запас по поверхности теплообмена ∆F = F - Fρ. Коэффициент компактности КК = F / V. Коэффициент металлоемкости Км = F / М. Энергетический коэффициент Кe = Q / (N1 + N2).

Задача 2. Рассчитать и подобрать многоходовые калориферы для калориферной установки, осуществляющей нагрев воздуха, при следующих условиях: греющий теплоноситель - вода с температурой t1' на входе и t1" на выходе, расход воздуха G2, температура воздуха на входе в установку t2' и на выходе из нее t2". Параметры выбирать по табл. 2. Вычертить эскиз калорифера с указанием конструктивных размеров и схему соединения калориферов в установке по воде и воздуху, указать количество, тип и номер выбранных калориферов, привести их технические характеристики. Указания. Эскиз калорифера, методика расчета калориферной установки и технических характеристик калориферов приведены в [1], рис. 2.8, а, пример рис. 2.1, с. 32 ... 35. 23

Таблица 2 Параметры

1

G2, кг/с

3,0

t2', оС t2", оС

-36 26

t1', оС t1", оС

105 52

Варианты и исходные данные 2 3 4 5 6 7 8 Последняя цифра шифра 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 Предпоследняя цифра шифра -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 28 30 32 34 36 38 40 Третья от конца цифра шифра 110 115 120 125 130 135 140 54 56 58 60 62 64 66

Массовая скорость воздуха в живом сечении кг/(м с) для пластинчатых и ρ2w2 = 3 ... 5 кг/(м2·с) ров. При компоновке установки рекомендуется последовательное соединение калориферов, а последовательное соединение. 2

9

0

7,0

7,5

-4 42

0 44

145 68

150 70

принимается ρ2w2 = 7 … 12 для оребренных калорифепо воде преимущественно также их параллельно-

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2 Задача 1. Определить длину L и диаметр D пневматической трубысушилки с однократным использованием сушильного агента (рис. 2.2) для высушивания влажного песка нагретым воздухом при следующих условиях: производительность сушилки по высушенному материалу G2, начальная влажность песка ω1о, конечная влажность песка ω2о, температура свежего воздуха tо, влагосодержание свежего воздуха dо, температура воздуха после калорифера t1, температура воздуха на выходе из сушилки t2, эквивалентный диаметр частиц материала d, начальная температура влажного материала tм1, удельные потери теплоты в окружающую среду qп. Параметры выбрать по табл. 3. При выполнении расчетов принять давление воздуха в сушилке равным атмосферному, удельную теплоемкость материала см = 0,8 кДж/(кг·К), его насыпную плотность ρм = 1200 кг/м3. Выбрать схему сушилки с указанием рассчитанных конструктивных размеров, привести выкопировку из h-d-диаграммы с построенными процессами подогрева воздуха в калорифере и сушки в теоретической и действительной сушилках.

24

Рис. 2.2 Указания. Расход влаги W, удаляемой из высушиваемого материала, рассчитывается из уравнения материального баланса W = G2 (ω1о – ω2о) / (100 - ω1о). В h-d-диаграмме ([1], с. 151, или [2], с. 61) строится процесс подогрева воздуха в калорифере при d = соnst (отрезок 0 - 1) и теоретический процесс сушки при h = соnst (отрезок 1 - 2а), для которого определяется адиабатическая температура мокрого термометра tмa и влагосодержание воздуха d2a, в конце теоретического процесса сушки. Для построения действительного процесса сушки используется уравнение внутреннего теплового баланса сушилки. ∆ = Свлtм1 – [G2См (tм2 - tм1) / W + qп], где ∆ - разность между удельными приходом и расходом теплоты в сушилке, кДж/кг; Свл, - удельная теплоемкость влаги во влажном материале при температуре tм1, кДж/(кг·К); tм2 - конечная температура на выходе из сушилки, принимается равной tма, оС. Из уравнения теплового баланса сушилки находится h2' = h1 + ∆ (d2а – d1) / 1000, 25

где h2' - энтальпия воздуха в действительном процессе сушки при влагосодержании воздуха d2а, кДж/кг; h1 - энтальпия воздуха на выходе из калорифера, кДж/кг; d1 - влагосодержание воздуха на выходе из калорифера, г/кг. Таблица 3 Параметры

1

G2, кг/с ω1о, % ω 2о, %

0,6 4 0,5

tо, оС dо, г/кг t1, оС t2, оС

5 2 200 90

d, мм tм1, оС qп, кДж/кг

1,0 6 20

Варианты и исходные данные 2 3 4 5 6 7 8 Последняя цифра шифра 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 5 6 7 8 9 10 11 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Предпоследняя цифра шифра 10 10 15 20 20 25 25 4 6 8 10 12 14 12 200 195 195 190 190 185 185 85 80 75 70 65 60 65 Третья от конца цифра шифра 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

9

0

1,4 12 1,3

1,5 13 1,4

20 8 180 70

15 6 180 75

1,8 22 36

1,9 24 38

Через две точки на h-d-диаграмме с координатами d1, h1 и d2а, h2' проводится прямая политропы сушки до пересечения с изотермой конечной температуры воздуха t2. Полученная точка 2 характеризует параметры воздуха на выходе из сушилки. По результатам построений в h-d-диаграмме рассчитываются: расход воздуха, подаваемого в сушилку, L =1000 W / (d2 – d1) и тепловая нагрузка калорифера Q = (h1 – hо) L. Скорость витания частиц ωвит определяется из обобщенной зависимости Re = (4ξ Аr/3)0.5, где Rе, Аr - числа подобия Рейнольдса и Архимеда; ξ - коэффициент лобового сопротивления чаcтиц в воздушном потоке, равный 0,8. Здесь Rе = ωвит d/vв, Аr = gd3 (ρм – ρв ) / (νв2ρв). Значения коэффициента кинематической вязкости νв и плотности воздуха ρв находятся при средней температуре воздуха в процессе сушки. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности частиц α, продолжительность сушки τ, а также длина L и диаметр D трубы-сушилки рассчи26

тываются в соответствии с рекомендациями, изложенными в [1], с. 210... 212 или [2], с. 216, 217. Задача 2. В ректификационной колонне непрерывного действия с сетчатыми тарелками происходит разделение бинарной смеси четыреххлористый углерод - толуол. Мольные доли низкокипящего компонента (четырехклористого углерода) составляют: в исходной меси хF, в дистилляте хD, в остатке хW. Массовая производительность колонны по исходной смеси GF, коэффициент полезного действия тарелки η, расстояние между тарелками hT. Параметры выбрать по табл. 4. Таблица 4 ПараВарианты и исходные данные метры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Последняя цифра шифра ХF 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 ХD 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 хW 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 Предпоследняя цифра шифра GF, кг/с 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 Третья от конца цифра шифра η 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 hт, м 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 Молекулярные массы четыреххлористого углерода и толуола соответственно равны Ма = 153,84 кг/кмоль и Мв = 92,1 кг/кмоль. Давление в колонне атмосферное, средняя температура t = 94оС. При этих условиях для четыреххлористого углерода плотность жидкости ρа = 1630 кг/м3, удельная теплота парообразования га = 185,6 кДж/кг, для толуола - ρв = 870 кг/м3, гв = 368,7 кДж/кг. Определить высоту Н и диаметр D колонны методом теоретических тарелок, число тарелок n, а также тепловой поток QD, отдаваемый охлаждающей воде в теплообменнике - дефлегматоре. Вычертить принципиальную схему ректификационной колонны с указанием рассчитанных конструктивных размеров, построить на миллиметровой бумаге диаграмму равновесия, рабочие линии колонны и ступени изменения концентраций на теоретических тарелках. Указания. Схема ректификационной колонны соответствует схеме, приведенной в [1), рис. 7.2 или в [2], рис. 5.9 б. Построение линий равновесия производится на основании равновесных данных для смеси четыреххлористый углерод - толуол по данным, приведенным в [1], табл. 7.1 и рис. 7,5 б. Для построения рабочих линий ректификационной колонны вначале определяется минимальное флегмовое число: 27

Rмин = (хD - yF) / (yF – хF), где yF - мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания (определяется по диаграмме равновесия при хF). Затем определяется рабочее флегмовое число: R = 1,3 Rмин + 0,3. В соответствии с [1], рис. 7.10, cтроятся рабочие линии. Начальная ордината рабочей линии для укрепляющей части колонны рассчитывается следующим образом: b = хD/ (R + 1) . Определение теоретического числа тарелок nт производится по диаграмме равновесия, как это показано в [1], рис. 7.12. Действительное число тарелок n = nт / η . Высота ректификационной колонны H = nhт. Массовые доли низкокипящего компонента в исходной смеси, в дистилляте и в остатке рассчитываются соответственно по формулам aF = МaхF / [МaхF + Мв (1 - хF)]; aD = МaхD / [МaхD + Мв (1 - хD)]; aW = МaхW / [МaхW + Мв (1 - хW)]. Массовые расходы дистиллята GD и остатка GW определяются из уравнений материального баланса: GD + GW = GF; aDGD + aWGW = aFGF. Оптимальная скорость пара в колонне рассчитывается по формуле ω = c [(ρж - ρп) / ρп]0,5, где с - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок (для ситчатых таре28

лок с = 0,06); ρж и ρп - плотности жидкости и пара. Плотность жидкости определяется по правилу аддитивности ρж = ρааср + ρв (1 - аср), где аср - средняя массовая доля низкокипящего компонента в жидкости; в первом приближении аср = 0,5 (аD + aW). Плотность пара рассчитывается по формуле ρп = [Мaуcр + Мв (1 - уcр)] То / (22,4 Т), где То - абсолютная нормальная температура, равная 273 К; Т - абсолютная средняя температура в колонне, равная Т = 273 + t; уcр - средняя мольная доля низкокипящего компонента в паре; 22,4 - объем киломоля. Значение уcр определяется по диаграмме равновесия при средней мольной доле в жидкости для всей колонны: хcр = 0,5 (хD + хW) . Диаметр тарельчатой ректификационной колонны Dk = [4V / (πω)]0,5. Входящий в эту формулу объемный расход пара, проходящего по колонне, определяется по формуле V = 22,4 GD (R + 1) Т / (МDТо), где МD - мольная масса дистиллята, равная МD = хDМа + (1 - хD) Мв. Тепловой поток, отводимый к охлаждающей воде в теплообменнике дефлегматоре, QD = GD (R + 1) гD, где гD - теплота парообразования дистиллята, равная гD = aDra + (1 - aD) rв.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Для подготовки к лабораторным работам необходимо изучить основные теоретические положения, изложенные в методических указаниях и соответствующие разделы из рекомендуемых учебных пособий. Студент должен четко 29

уяснить цель работы и пути ее реализации в процессе проведения экспериментов и обработки опытных данных. При выполнении лабораторных работ и обработке результатов используются показания приборов, контролирующих технологические параметры. Поверкой средств измерения установлено, что погрешность каждого из них не превышает значения, определяемого Государственными стандартами. Методы измерения технологических параметров также соответствуют Государственным стандартам. Например, измерение температуры измерительным устройством с милливольтметром соответствует ГОСТ 3044-77, а с автоматическим потенциометром - ГОСТ 6651 - 78 и т. д. Каждый студент в составе группы под руководством преподавателя должен выполнить три работы. Отчеты по работам должны быть аккуратно выполнены в отдельной тетради или на листах писчей бумаги и сброшюрованы. При выполнении расчетов надо вначале выписать формулу, затем подставить числовые значения входящих в нее величин и после этого записать результат вычислений. Все промежуточные расчеты ведутся с точностью до четырех значащих цифр, окончательные результаты округляются до трех значащих цифр. Схемы установок и графики необходимо выполнять карандашом с применением чертежных принадлежностей. Выкопировки на кальке, а также графики, построенные на миллиметровой бумаге, вклеиваются в отчет. Для получения допуска к зачету все отчеты должны быть представлены преподавателю.

ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Настоящий раздел составлен с учетом следующих Государственных стандартов СССР: ГОСТ 12.1.019 - 79 - «ССБТ. Электробезопасность», ГОСТ 12.2.016 - 81 - «ССБТ. Оборудование компрессорное», ГОСТ 12.2.028 - 77 - «ССБТ. Вентиляторы общего назначения», ГОСТ 12.1.030 - 81 - «ССБТ. Электрозащитное заземление, зануление». Перед выполнением лабораторного практикума надо изучить инструкцию по технике безопасности при работе на установках и расписаться в журнале инструктажа. Перед пуском установки, содержащей нагнетатели с электродвигателем (работы 1, 2), необходимо проверить надежность крепления нагнетателя, электродвигателя, трубопроводов и качество их соединения, убедиться в отсутствии посторонних предметов на установке, а также в наличии и исправности ограждений, защитных кожухов, предохранительных устройств, защитного заземления и резинового коврика перед пусковым щитом. 30

Запрещается: - производить на ходу ремонт, чистку двигателя, нагнетателя и их частей; - находиться в плоскости вращения деталей двигателя даже при наличии защитных кожухов; - во избежание ожогов самостоятельно помещать исследуемый образец в термошкаф (при выполнении работы 3); - включать установку (в том числе и повторно) без разрешения руководителя занятий. В случае обнаружения неисправностей немедленно отключить установку и сообщить об этом руководителю занятий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ 1. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М.: Энергия, 1972. - 320 с. 2. Промышленная теплоэнергетика: Справочник / Под общ. ред. В. А. Григорьева и В. Н. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1983. - 552 с. 3. Соколов Е. Я. Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 320 с. Работа 1. ИСПЫТАНИЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Определение коэффициента теплопередачи водовоздушного теплообменника и потерь давления воздуха при прохождении через аппарат.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, в которых осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому. В рекуперативных теплообменниках горячий и холодный теплоносители движутся одновременно и теплота передается через разделяющую их стенку. В рекуперативных водовоздушных теплообменниках теплоносителями служат соответственно вода и воздух. При тепловых испытаниях теплообменника определяется коэффициент 31

теплопередачи. Интенсивность передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку характеризует коэффициент теплопередачи. Он численно равен количеству теплоты, которое передается через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между теплоносителями в один градус. При гидравлических (аэродинамических) испытаниях теплообменника определяются потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат. Потери давления обусловлены сопротивлением движению теплоносителя. Между коэффициентом теплопередачи и потерей давления существует тесная связь. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой производительности теплообменник, а следовательно, меньше капитальные затраты. Но в этом случае растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты. При проектировании и испытании теплообменников необходимо одновременно решать задачи теплообмена и сопротивления и найти оптимальные характеристики.

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Основным элементом установки (рис. 3.1) является водовоздушный теплообменник 15, состоящий из двух коллекторов - верхнего и нижнего, соединенных между собой трубками овального поперечного сечения со сплошными пластинчатыми ребрами на наружной поверхности. Поток воздуха, создаваемый цетробежным вентилятором 1, поступает через напорный воздухопровод 2 на оребренную наружную поверхность трубок теплообменника. Расход воздуха через теплообменник регулируется при помощи поворотной заслонки 10. Контур циркуляции воды обеспечивает нагрев ее в подогревателе 12, охлаждение внутри трубок теплообменника и транспорт по трубопроводу 11. Движение воды осуществляется при помощи центробежного насоса 13.

32

Рис. 3.1 Для измерения расходов воздуха и воды установлены дроссельные диафрагмы 4 и 7 с дифференциальными жидкостными манометрами 16 и 8 соответственно. На входе и выходе из теплообменника температура воды измеряется ртутными термометрами 6 и 14, а температура воздуха - термометрами 5 и 9. Для измерения потерь давления воздуха при движении его через теплообменник служит дифференциальный жидкостной манометр 3. После ознакомления с установкой включается центробежный насос 13, а затем подогреватель 12. Когда температура воды в контуре повысится до 70... 80оС, при полностью открытой заслонке 10 включается вентилятор 1. После установления стационарного режима работы установки снимают показания всех измерительных приборов и заносят их в протокол наблюдений (форма 1). Изменяя положение заслонки 10, аналогично проводят еще два опыта. Установление стационарного режима определяют по температуре воды на входе и выходе из теплообменника. В каждом опыте измеряются: атмосферное давление ρа, разность уровней жидкости в дифманометрах h1, h2 и h, температуры воды на входе и выходе из теплообменника соответственно t1' и t1'', температуры воздуха на входе и выходе из теплообменника соответственно t2' и t2''. 33

Форма 1

Протокол испытаний рекуперативного теплообменника Номер опыта

ρа, кПа

h1, м

h2, м

h, м

t1', оС

t1'', оС

t2', оС

t2'', оС

1 2 3

При обработке опытных данных определяются расходы воздуха и воды в установке, количество теплоты, отданное водой и полученное воздухом в теплообменнике в единицу времени, а также все остальные величины, необходимые для определения коэффициента теплопередачи и энергетических характеристик теплообменника. Массовый расход воды G1 определяется по уравнению G1 = 3,48α1d12

h1ρ1ρh1, кг/с,

(1)

где α1 - коэффициент расхода диафрагмы; h1 - разность уровней рабочей жидкости в дифманометре, м; ρ1 - плотность воды, циркулирующей в контуре, кг/м3, ρh1 - плотности рабочей жидкости в дифманометре, кг/м3; d1 - диаметр отверстия диафрагмы, м. Плотность воды ρ1 в уравнении (1) определяется при температуре t1' из справочных данных (приложение П1). При использовании ртути в качестве рабочей жидкости в дифманометре можно принять ρh1 = 13 600 кг/м3. Количество теплоты Q1, отданное водой в единицу времени в теплообменнике, Q1 = G1с1 (t1' - t1''), кВт.

(2)

Здесь удельная теплоемкость воды с1 определяется из справочных данных (приложение П1) при средней температуре воды. 34

t1 = 0,5 (t1' + t1'').

(3)

Массовый расход воздуха G2 определяется по уравнению G2 = 3,48α2d22

h2ρ2ρh2, кг/с.

(4)

Плотность воды ρh2, являющейся рабочей жидкостью в дифманометре 16, определяется при температуре t2' и плотности воздуха перед диафрагмой ρh2 = ρ0 Ра Τо ,

(5)

ρ о Τ2′

где ρо - плотность воздуха при нормальных физических условиях, равная 1,293 кг/м3; То = 273 К,

ро = 101,3 кПа,

Т2' = 273+t2', К.

Количество теплоты Q2, принятое воздухом в единицу времени в теплообменике, Q2 = G2с2 (t2'' – t2'), кВт.

(6)

Удельная теплоемкость воздуха с2 берется из справочных данных (приложение 2) при средней температуре воздуха t2' = 0,5 (t2' + t2'').

(7)

Коэффициент ηп, учитывающий потери теплоты в теплообменнике, ηп =

Q1 − Q2 . Q1

(8)

Средняя разность температур ∆ t воды и воздуха в теплообменнике ∆ t = t 1 - t 2, K.

(9)

Коэффициент теплопередачи К теплообменника, отнесенный к полной по35

верхности теплообменника F, К = 10зQ2 / (F∆ t ), Вт / (м2·К),

(10)

где F - площадь ребристой поверхности теплообменника, равная площади ребер и площади стенок трубок в промежутках между ребрами, м2. Потери давления ∆p воздуха при прохождении его через теплообменник ∆р = gh (ρh – ρh2), Па.

(11)

В качестве рабочей жидкости в дифманометре 3 используется вода, плотность которой ρh определяется при температуре t2'. Аэродинамическая мощность N, затрачиваемая на преодоление аэродинамического сопротивления теплообменника, N = 10-3 ∆р G2 / ρ2h, кВт.

(12)

Энергетический коэффициент Е теплообменника Е = Q2 / N.

(13)

Максимально возможное количество теплоты Q, которое может быть передано от воды воздуху, Q = G2с2 (t1' – t2'), кВт.

(14)

Коэффициент полезного действия η теплообменника η = Q2 / Q. Результаты расчетов заносятся в протокол по форме 2.

36

(15)

Форма 2

Протокол обработки опытных данных для рекуперативного теплообменника Номер G1, опыта кг/с 1

G2, кг/с

Q1, Q2, кВт кВт

ηп

К, Вт/м2·K

∆р, Па

N, кВт

E

Q, кВт

η

2 3

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название и цель работы. 2. Схема установки (см. рис. 3.1). 3. Протокол испытаний рекуперативного теплообменника (форма 1). 4. Расчетные формулы (1) - (15); подробные расчеты для одного опыта. 5. Протокол обработки опытных данных (форма 2). 6. Вывод о влиянии расхода воздуха через теплообменник на К, Е, и η . Литература:[1], с. 20...24, 53...57; [2], с. 101...106. Работа 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА И ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОМАССООБМЕНА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментальное определение параметров влажного воздуха, построение процессов нагрева и увлажнения его в hd-диаграмме, определение коэффициентов массоотдачи и теплоотдачи при испарении жидкости со свободной поверхности.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Влажный воздух представляет собой паровоздушную смесь, в которой водяной пар может находиться в перегретом или насыщенном состоянии. Для атмосферного воздуха в соответствии с законом Дальтона баромет37

рическое давление паровоздушной смеси ра равно сумме парциальных давлений сухого воздуха рв и водяного пара рп, ра = рв + рп. Абсолютной влажностью воздуха В называется масса водяного пара, содержащаяся в 1 м3 влажного воздуха, или это плотность пара ρп при парциальном давлении рп: В = ρп, кг/м3. При давлении водных паров, равном давлению насыщения рн и заданной температуре, абсолютная влажность достигает максимального значения и равна плотности насыщенного пара ρн, Вmax = ρн. Относительной влажностью воздуха φ называется отношение абсолютной влажности воздуха к максимально возможной при данной температуре влажности. φ = (В / Вmax) 10О = (ρп / ρн) 100. Влагосодержанием воздуха d называется масса пара в граммах, отнесенная к 1 кг сухого воздуха, содержащегося во влажном. d = 103 (ρп / ρв), г/кг. Влажный воздух называется ненасыщенным, если ρп < ρн (φ < 100%), и насыщенным, если ρп = ρн (φ = 100%). Понижая температуру ненасыщенного воздуха, можно довести его до состояния насыщения. Температура, при которой из влажного воздуха при данном влагосодержании начинается процесс выпадения капельной влаги, называется точкой росы tр. Процесс испарения жидкости со свободной поверхности во влажный воздух с достаточной для технических расчетов точностью можно рассматривать как процесс адиабатного испарения. Такой процесс протекает при постоянной энтальпии h влажного воздуха, так как вся теплота, переданная от влажного воздуха к жидкости, затрачивается на испарение последней и возвращается к влажному воздуху с паром. На принципе адиабатного испарения основан прибор, называемый психрометром, с помощью которого по показаниям двух термометров - сухого и мокрого, помещенных в поток влажного воздуха, можно определить параметры его состояния. Сухой термометр представляет собой обычный термометр, измеряет температуру tс ненасыщенного влажного воздуха. Чувствительный элемент мокрого термометра непрерывно увлажняется с помощью фитильного 38

материала, один конец которого помещен в сосуд с водой. Влага, находясь в непрерывном контакте с потоком воздуха, достигает предельной температуры tм, которую и фиксирует мокрый термометр.

Рис. 3.2 Основываясь на показаниях психрометра, с помощью hd-диаграммы можно определить параметры влажного воздуха. Например, для построения точки 1 на hd-диаграмме (рис. 3.2) находят точку А пересечения изотермы tм1 с кривой φ = 100%, через которую проводят линию h1 = const до пересечения с изотермой tс1. Полученная таким образом точка 1 определяет параметры влажного воздуха: h1, d1, t1 = tс1, φ1, tp1, рп1. Процесс нагрева воздуха протекает в отсутствие массообмена при условии d = const и на hd-диаграмме изображается вертикальным отрезком 1 - 2. Процесс адиабатного увлажнения воздуха изображается отрезком 2 - 3, параллельным линиям h = const. При адиабатном испарении жидкости со свободной поверхности температура влажного воздуха равняется температуре сухого термометра, а температура поверхности жидкости - температуре мокрого термометра. При этом устанавливается динамическое равновесие, когда интенсивность теплоотдачи конвек39

цией равна интенсивности переноса теплоты за счет массоотдачи qп = α (tc - tм) = rβp (рн – рп), где qп - плотность теплового потока через поверхность жидкости, Вт/м2; α - коэффициент теплоотдачи, Вт / (м2·К); r - удельная теплота испарения, Дж/кг; βp- коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений, кг / (с·м2·Па). Если известна интенсивность испарения влаги со свободной поверхности jп, то коэффициент теплоотдачи при адиабатном испарении α=

qп tс – tм

=

rjп

.

(16)

tс – t м

Интенсивность испарения jп в приближенных расчетах может быть определена на основе допущения об аналогии процессов теплоотдачи и массоотдачи. Согласно этому допущению, уравнения, полученные в результате исследования теплоотдачи, используются для расчета массоотдачи. Например, уравнение подобия для случая средней теплоотдачи при ламинарном режиме движения газа вдоль плоской поверхности имеет вид Nu = 0,664 Re0,5Pr0,33,

(17а)

где Nu, Re, Pr - числа подобия Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля соответственно. По аналогии для массоотдачи NuD = 0,664 Re0,5PrD0,33,

(17)

где NuD - диффузионное число Нуссельта; PrD - диффузионное число Прандтля; β - коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентрации влаги, м/с; ℓ - определяющий геометрический размер, м; D - коэффициент диффузии, м2/с; ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с. Здесь NuD = βℓ / D;

Pr = ν / D.

Для влажного воздуха коэффициент диффузии может быть определен по формуле D = Do (T / To)1,8 (рo / рa), 40

(18)

где Do - коэффициент диффузии при нормальных физических условиях, равный 2,2·10-5 м2/с; Т - абсолютная температура влажного воздуха, К. Коэффициенты β и βр связаны соотношением βр = β / (RпТ),

(19)

где Rп - газовая постоянная для водяного пара, равная 462 Дж / (кг·К). Интенсивность испарения жидкости jп = βр (рн – рп).

(20)

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Схема установки показана на рис. 3.3. Воздух вентилятором 10 подается в трубу 5, в которой расположен электронагреватель 7. За электронагревателем по ходу воздуха находится увлажняющая камера 4. Для замера расхода воздуха в трубе установлена дроссельная диафрагма 9 с дифференциальным жидкостным манометром 8, заполненным водой. Тепловая нагрузка нагревателя измеряется ваттметром 6. По показаниям психрометров 1 ... 3 определяется относительная влажность воздуха соответственно до и после нагревателя и за увлажнительной камерой.

Рис. 3.3 41

Включается вентилятор, затем нагреватель. После прогрева установки, при стационарном тепловом режиме, когда показания психрометров не меняются, в протокол наблюдений (форма 3) записываются показания измерительных приборов. Проводится только один опыт, в котором измеряются: мощность нагревателя Qн, разность уровней рабочей жидкости в дифманометре h, атмосферное давление ра температуры сухого и мокрого термометров каждого из трех психрометров tс и tм. Форма 3 Протокол измерений параметров влажного воздуха Номер опыта

Qн, Вт

h, м

ра, кПа

Психрометр 1 tc1, оС tм1, оС

Психрометр 2 tc2, оС tм2, оС

Психрометр 3 tc3, оС tм3, оС

По показаниям психрометров на h-d-диаграмме (см. рис. 3.2) строят точки 1 ... 3 и определяют для каждой точки: энтальпию h, влагосодержание d, относительную влажность φ, температуру точки росы tр, парциальное давление пара рп, давление насыщенного пара при температуре мокрого термометра рн. Затем рассчитывается парциальное давление воздуха: рв = ра – рп.

(21)

Полученные параметры влажного воздуха заносятся в протокол (форма 4) и используются для расчета коэффициентов массоотдачи и теплоотдачи. Плотность влажного воздуха рассчитывается по формуле

ρ1 = ρ0

Т0 ра

1 – 0,378

Т1 ро

рп

,

(22)

ра

где ρ0 - плотность сухого воздуха при нормальных физических условиях, равная 1,293 кг/м3; Т1 - абсолютная температура воздуха перед дроссельной диафрагмой, Т0 = 273 К, ро = 101,3 кПа, Т1 = 273 + tс1. 42

Массовый расход влажного воздуха G определяется по формуле

G = 3,48 αdb2 hρhρ1, кг/с.

(23)

где α - коэффициент расхода диафрагмы, м; db - диаметр отверстия диафрагмы, м; ρh - плотность рабочей жидкости в дифманометре, кг/м3. Форма 4 Параметры влажного воздуха в характерных точках установки Номер точки

h, кДж/кг

d, г/кг

Параметры влажного воздуха φ, % tр, оС рп , кПа

рв, кПа

рн, кПа

1 2 3 Для экспериментальной установки: α = 0,67; db = 0,057 м. Плотность рабочей жидкости (воды) определяется при температуре tс1 из справочных данных (приложение П1). Количество влаги W, испарившейся в единицу времени с поверхности воды и принятой воздухом, W = 10-3G (d3 – d2) (ρв / ρ1), кг/с.

(24)

Плотность сухого воздуха ρв, определяется при температуре tс3 (приложение П2). Интенсивность испарения влаги со свободной поверхности Jп = W / (bℓ),

(25)

где b - ширина камеры увлажнения, м; ℓ - длина камеры увлажнения, м. Коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений, βp = jп·10-3 / (Рнз – Рпз). 43

(26)

Тепловая мощность Q, затрачиваемая на испарение влаги в камере увлажнения, Q = 103W·r,

(27)

где r – скрытая теплота парообразования. Относительные потери теплоты установкой в окружающую среду qпот = (Qн – Q) / Qн.

(28)

Коэффициент теплоотдачи Q α=

·

(29)

bℓ (tcз – tмз) Полученные опытные значения βр и α сравниваются с результатом расчетов по формулам (17) и (17а). Для этого сначала определяется средняя скорость воздуха в увлажнительной камере: W = G / ρ3bH,

(30)

где Н - высота увлажнительной камеры над уровнем воды, м. Плотность влажного воздуха ρ3 определяется по уравнению (22) при температуре tcз. Размеры увлажнительной камеры установки составляют: b = 0,2 м;

ℓ = 0,5 м;

Н = 0,15 м.

При вычислении диффузионного числа Прандтля значение D рассчитывается по формуле (18) при температуре tc3, коэффициент кинематической вязкости ν берется из справочных данных (приложение П2) при той же температуре. В качестве определяющего линейного размера в уравнении (17) принята длина поверхности испарения ℓ. В результате вычислений по формулам (17) и (19) определяется расчетное значение коэффициента массоотдачи βр, по уравнению (20) - интенсивность испарения жидкости jп. Расчетное значение коэффициента теплоотдачи определяется, основываясь на показаниях психрометра 3, из уравнения (16). Удельная теплота испа44

рения воды определяется при температуре tм3 из справочных данных (приложение П1).

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название и цель работы. 2. Схема установки с указанием основных обозначений. 3. Протокол измерений параметров влажного воздуха (форма 3) . 4. Выкопировка на кальке из h-d-диаграммы с построенными процессами нагрева и увлажнения воздуха. 5. Параметры влажного воздуха (форма 4). 6. Обработка опытных данных по формулам (21) ... (29). 7. Расчетное определение βр и α по формулам (30), (16) ... (20). 8. Вывод о результатах сравнения опытных и расчетных данных βр и α. Литература: [1], с. 60 ... 68, 184. Работа 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ СУШКИ И ТЕПЛОМАССООБМЕНА МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ ВЛАЖНОГО МАТЕРИАЛА И СУШИЛЬНЫМ АГЕНТОМ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментальное получение кривых сушки и скорости сушки, определение равновесного и критического влагосодержания материала, коэффициентов массоотдачи и теплоотдачи.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Процесс сушки состоит из перемещения влаги внутри материала в зону фазового превращения, парообразования и перемещения пара в окружающую среду. Испарение влаги создает перепад влагосодержания между внутренними и поверхностными слоями, что вызывает непрерывное перемещение влаги в направлении поверхности материала и уменьшение его среднего влагосодержания. Изменение среднего влагосодержания w и температуры поверхности материала tп в процессе сушки в зависимости от времени τ при постоянных режимных параметрах сушильного агента (окружающей среды) составляют кинетику этого процесса (рис. 3.4). Закономерности w = ƒ(τ) и tп = ƒ(τ), полученные экспериментально, позволяют рассчитывать продолжительность сушки до 45

заданного конечного влагосодержания материала, количество испаренной влаги и расход теплоты на сушку. Зависимость w = ƒ(τ) называют скоростью сушки. Ее определяет тангенс угла наклона касательной к кривой сушки в любой точке ее tg σ = – dw / dτ ≈ –∆w / ∆τ = N.

(31)

Рис. 3.5 Рис. 3.4 Зависимость N = ƒ(w) называется кривой скорости сушки, на кривой сушки виден ряд характерных периодов. Период прогрева τо характеризуется увеличением температуры поверхности материала от tп,н до tм, уменьшением влагосодержания от wн до промежуточного значения и увеличением скорости сушки N от нуля до максимального значения Nо. Следующий период τ1 носит название периода постоянной скорости сушки. Изменение влагосодержания во времени в этом периоде происходит линейно и зависит лишь от условий теплообмена сушильного агента и сушимого материала. Температура поверхности материала не изменяется и равняется температуре мокрого термометра tм, а парциальное давление пара у поверхности испарения равно давлению насыщения рн при температуре мокрого термометра. При этом происходит испарение свободной влаги с поверхности материала по тем же законам, как при испарении жидкости со свободной поверхности (см. работу 2). Период постоянной скорости сушки продолжается до наступления критического влагосодержания wкр, при котором внутридиффузионное сопротивление переносу внутри материала и внешнедиффузионное сопротивление пе46

реносу пара в пограничном слое равны. Начиная с этого момента (период τ2) температура поверхности материала непрерывно повышается, стремясь к температуре сушильного агента tс, а скорость сушки непрерывно убывает от максимального значения Nо до нуля. Этот период называется периодом падающей скорости сушки и соответствует времени удаления связанной влаги. Скорость сушки равна нулю после достижения материалом равновесного влагосодержания wр, при котором поток влаги из материала за счет испарения и поток влаги к поверхности материала из окружающего воздуха (конденсация) равны. Равновесное влагосодержание материала является функцией φ и температуры tс воздуха, так как давление водяного пара над материалом находится в равновесии с парциальным давлением водяного пара в окружающем воздухе.

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Основным элементом установки (рис. 3.5) является сушильный шкаф 6 с естественной циркуляцией воздуха и регулятором температуры. Автоматическая регулировка температуры производится с точностью ± 3К. Образец 7 подвешивается на коромысле весов 5 и помещается внутрь сушильного шкафа. Рабочий конец термопары 1 помещен в резервуар с водой и позволяет определить температуру мокрого термометра tм. При помощи термопары 2 измеряется температура поверхности испытуемого образца tп. Термопара 3 дает температуру сухого термометра tс, так как измеряет температуру сушильного агента внутри сушильного шкафа. Многоточечный автоматический потенциометр 4 служит для измерения термоэлектродвижущей силы термопар. Перед выполнением работы необходимо проверить наличие воды в резервуаре мокрого термометра. Образец поместить на весы и уравновесить их гирьками. После этого образец удалить из сушильного шкафа и прогреть его до температуры 80 ... 90 оС. Когда установится стационарный режим, поместить внутрь шкафа образец, проверив при этом расположение термопар. Включить секундомер, произвести взвешивание образца и записать показания всех термопар. Результаты измерений заносятся в протокол (форма 5). Следующий опыт проводится через 8 ... 10 мин. В каждом опыте измеряются: время τ, температура мокрого термометра tм, температура поверхности материала tп, температура сухого термометра tс, масса испытуемого образца М. Сушка материала производится примерно в течение 3 ... 4 часов до тех пор, пока масса испытуемого образца перестанет изменяться со временем, что соответствует равновесному влагосодержанию материала образца.

47

Форма 5

Протокол результатов исследования кинетики сушки Номер опыта

τ, ч

tм, оС

tп, оС

tс, оС

М, г

W, г

w, %

N, %/ч

Поскольку имеющаяся установка не позволяет полностью удалить всю влагу, содержащуюся в материале, то для определения его сухой части Мс используются справочные данные. Здесь испытываемый образец представляет спрессованный из древесной массы с клеем параллелепипед размерами a = 30 мм, в = 25 мм, с = 12,5 мм. Равновесное влагосодержание wр древесной массы в зависимости от относительной влажности φ воздуха приведено в приложении П3. Относительная влажность воздуха определяется при помощи hd-диаграммы влажного воздуха по температурам tм и tс для одного из последних опытов, соответствующих равновесному влагосодержанию образца. Равновесное влагосодержание на общую массу wро можно определить, если известно равновесное влагосодержание на сухую массу wр. о

wр =

100wр

·

(32)

100 + wр

Масса влаги Wр, содержащейся в образце при равновесном влагосодержании, Wр = (wро / 100) Мр,

(33)

где Мр - общая масса материала при равновесном влагосодержании, определяемая взвешиванием в одном из последних опытов. Сухая масса материала Мс = Мр – Wр.

(34)

Эта величина используется при обработке опытных данных (см. форму 5). Для каждого режима рассчитываются: количество влаги в материале 48

W = М – Мс

(35)

и влагосодержание на сухую массу w = (W / Мс)100.

(36)

По результатам обработки опытных данных строятся зависимости: w = ƒ(τ),

tм = ƒ(τ),

tп = ƒ(τ)

и

tс = ƒ(τ)

(см. рис. 3.4). По полученным графикам определяются: период прогрева τо, период постоянной скорости сушки τ1, период падающей скорости сушки τ2, критическое влагосодержание ωкр. Максимальная скорость сушки Nо в соответствии с уравнением (31) Nо = ∆w1 / τ1, %/ч,

(37)

где ∆w1 - изменение влагосодержания материала за период τ1. Полученное значение Nо откладывается на графике кривой сушки (см. рис. 3.4) для периода τ1. В периоде τо график строится условно путем соединения отрезком прямой двух точек с координатами: N = 0 при τ = 0

и

N = Nо при τ = τо.

Для получения участка кривой в периоде τ2 необходимо, кроме известных крайних точек, взять еще две-три промежуточные точки, скорость сушки в которых рассчитывается по формуле N = mNtgδ,

(38)

где mN - масштабный коэффициент. Рассчитанные значения скорости сушки заносятся в протокол (форма 5). Для определения характеристик тепломассообмена в периоде постоянной скорости сушки необходимо найти количество испаренной влаги W1.

W1 =

∆w 1M c N о М с τ1 = ,г 100 100

Интенсивность испарения влаги jп с единицы поверхности образца 49

10 −6 W1 jп = . 3,6Fτ1

(39)

Площадь поверхности образца F рассчитывается по формуле F = 2αb + 4bс, м2.

(40)

Коэффициент βр, отнесенный к разности парциальных давлений, определяется βр = jп·10-3 / (рн – рп), кг/(м2·с·Па).

(41)

Коэффициент теплоотдачи α, характеризующий теплообмен на поверхности образца с сушильным агентом, находится из уравнения α = jпr·10-3 / (tc – tм), Вт/(м2·К).

(42)

В уравнениях (41) и (42) давления рп и рн, температуры tc и tм соответствуют периоду сушки τ1. По температуре сухого термометра tc определяется парциальное давление пара рп в воздухе. Давление насыщенных паров рн и удельная теплота испарения r (приложение П1) определяются по температуре мокрого термометра tм. 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название и цель работы. 2. Схема экспериментальной установки с обозначением основных элементов. 3. Протокол результатов исследования кинетики сушки (форма 5). 4. Подробные расчеты по формулам (32) ... (42). 5. Графические зависимости w = ƒ(τ), N = ƒ(τ), tм = ƒ(τ), tп = ƒ(τ) и tс = ƒ(τ). 6. Вывод о сравнении продолжительностей каждого периода сушки и количестве влаги, удаляемой в каждом периоде. Литература: [1], с. 185 ... 188; [2], с. 181 ... 184.

50

ПРИЛОЖЕНИЕ

П1. Физические свойства воды и водяного пара на линии насыщения t, оС

рн, кПа

10 20 30 40 50 60 70 80

1,228 2,337 4,241 7,385 12,33 19,92 31,17 47,36

r, кДж/кг 2477 2454 2430 2406 2383 2358 2333 2308

ρж , кг/м3 999,7 998,2 995,7 992,2 988,1 983,1 977,8 971,8

сж, λж, νж, кДж/(кг·К) Вт/(м·К) х10-6 м2/с 4,191 0,574 1,306 4,183 0,599 1,006 4,174 0,618 0,805 4,174 0,635 0,659 4,174 0,648 0,556 4,179 0,659 0,478 4,187 0,668 0,415 4,195 0,674 0,365

Рrж

9,52 7,02 5,42 4,31 3,54 2,98 2,55 2,21

П2. Физические свойства сухого воздуха ра = 101,3 кПа t, оС

ρ, кг/м3

10 20 30 40 50 60 70 80 90

1,247 1,205 1,165 1,128 1,093 1,060 1,029 1,000 0,972

λ, х10-2 Вт/(м·К) 2,51 2,59 2,67 2,76 2,83 2,90 2,96 3,05 3,13

с, кДж/(кг·К) 1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,009 1,009 1,009

ν, х10-6 м2/с 14,16 15,06 16,00 16,96 17,95 18,97 20,02 21,09 22,10

Рr

0,705 0,703 0,701 0,699 0,698 0,696 0,694 0,692 0,690

П3. Равновесное влагосодержание шерстяного войлока φ, %

10

20

30

40

50

60

70

80

90

w, %

-

0,81

0,87

1,05

1,24

1,44

1,72

2,09

2,7

51

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие……………………………………………………………………..

3

1. Содержание дисциплины…………………………………………………….

3

1.1. Содержание дисциплины по ГОС…………………………………………. 3 1.2. Рабочая программа………………………………………………………….

4

1.2.1. Основные виды промышленных тепломассообменных процессов, аппаратов и установок……………………………………………………………... 4 1.2.2. Рекуперативные теплообменные аппараты……………………………... 5 1.2.3. Регенеративные теплообменные аппараты……………………………... 8 1.2.4. Выпарные установки……………………………………………………... 9 1.2.5. Смесительные теплообменники…………………………………………. 10 1.2.6. Сушильные установки……………………………………………………. 11 1.2.7. Перегонные и ректификационные установки…………………………... 13 1.2.8. Сорбционные процессы и установки……………………………………. 14 1.2.9. Вспомогательное оборудование тепломассообменных установок……

14

1.3. Тематический план лекций………………………………………………… 15 1.4. Темы лабораторных работ………………………………………………….

16

1.5. Темы практических занятий………………………………………………..

16

2. Библиографический список………………………………………………….

16

3. Задания на контрольные работы……………………………………………..

16

4. Методические указания к выполнению лабораторных работ……………... 29 Охрана труда и техника безопасности при проведении лабораторных работ. 30 Библиографический список к лабораторным работам……..…………………. 31 Работа 1. Испытание рекуперативного теплообменного аппарата. . . . . . . . . . 31 Работа 2. Определение параметров влажного воздуха и характеристик тепломассообмена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Работа 3. Исследование кинетики сушки и тепломассообмена между поверхностью влажного материала и сушильным агентом. . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

52

Редактор И.Н. Садчикова Сводный темплан 2004г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г. _______________________________________________________________________________________

Подписано в печать Б. кн. – журн.

Формат 60×84 1/16 П.л.

Б.л.

Тираж

РТП РИО СЗТУ Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5 53