2.3.3. Тепловий баланс

Розглянемо тепловий баланс три корпусної вакуум-випарної прямотечійної установки, перший корпус якої обігрівається свіжою насиченою водяною парою (рис. 4.).

Витрати свіжої (первинної) пари D₁ (кг/сек), його ентальпія I_г1 і температура ₁C.

Після першого корпуса відбирається Е₁ (кг/сек) і після другого корпуса Е₂ (кг/сек) екстра-пари. Відповідно витрати вторинної пари з першого корпуса, що направляється як гріюча у другий корпус, складає (W₁ - E₁) кг/сек і вторинної пари з другого корпуса, гріючої третій корпус (W₂ - E₂) кг/сек, де W₁ , W₂ - кількості води, що випарюється в I і II корпусах відповідно.

Рівняння теплових балансів корпусів:

I корпус

(28)

II корпус

(29)

III корпус

(30)

де с'₁; с'₂; с'₃ - питомі теплоємності парового конденсату при температурах конденсації ₁; ₂; ₃ відповідно;

c₁; c₂; c₃ - питомі теплоємності розчину по корпусах (при середній температурі розчину в кожнім корпусі);

с''₁; с''₂; с''₃ - питомі теплоємності води при температурі t_k1; t_k2; t_k3;

t₀; t_k1; t_k2; t_k3 - температура початкового розчину і температура кипіння розчину по корпусах;

Q_конц1; Q_конц2; Q_конц3 - теплоти концентрування розчину по корпусах;

Q_п1; Q_п2; Q_п3 - утрати тепла в навколишнє середовище по корпусах.

Утрати тепла в навколишнє середовище приймають рівним 3..5% від Q₁, Q₂, Q₃ відповідно.

У вакуум-випарній установці з паралельним рухом гріючої пари і розчину в наслідок самовипару останнього члени теплового балансу, що виражають витрату тепла на нагрівання розчину до температури кипіння в даному корпусі, у всіх корпусах (крім першого) будуть мати негативне значення.

Зокрема, для трьохкорпусної випарної установки:

t_k2<t_k1 і t_k3<t_k2 ,

Для рішення системи рівнянь, які ми розглянули вище, їх доповнюють рівнянням матеріального балансу по воді, що випарюється, яке має вигляд

W=W₁+W₂+W₃ , (31)

де W - загальна кількість води, що випарюється в установці, визначена з рівняння матеріального балансу.

З рівнянь теплового балансу визначають витрати гріючої пари і теплові навантаження корпусів.

4. Конструкції сушарок.

3.13. Конструкції сушарок

Конструкції сушарок відрізняються по ряду ознак:

1) по способу підведення тепла (конвективні, контактні і т.д.);

2) по виду використовуваного теплоносія (повітряні, газові, парові);

3) по величині тиску в сушильній камері (атмосферні і вакуумні);

4) по способу організації процесу (періодичні і неперервні);

5) по взаємному напрямку руху матеріалу і сушильного агента в конвективних сушарках (прямотечія, протитечія, перехресний тік).

Конвективні сушарки з нерухомим чи щільним шаром матеріалу, що рухається

• Камерні сушарки. Ці сушарки є апаратами періодичної дії, що працюють при атмосферному тиску. Вони використовуються у виробництвах невеликого масштабу для матеріалів, що допускають невисоку температуру сушіння, наприклад барвники.

• Тунельні сушарки. Ці сушарки відрізняються від камерних тим, що в них з'єднані один з одним вагонетки повільно переміщаються по рейках уздовж дуже довгої камери прямокутного перетину. На вході і виході коридор має герметичні двері, що одночасно періодично відкриваються для довантаження і вивантаження матеріалу: вагонетка з висушеним матеріалом видаляється з камери, а з протилежного кінця в неї надходить нова вагонетка з вологим матеріалом. Сушильний агент рухається прямотіком чи протитоком до матеріалу, що висушується.

Тунельні сушарки звичайно працюють з частковою рециркуляцією сушильного агента і використовуються для сушіння великих кількостей штучних матеріалів (керамічних виробів).

По інтенсивності сушіння тунельні сушарки мало відрізняються від камерних. Їм властиві основні недоліки останніх (тривале і нерівномірне сушіння, ручне обслуговування).

• Стрічкові сушарки. У цих сушарках сушіння матеріалів проводиться беззупинно при атмосферному тиску. Сушіння здійснюється гарячим повітрям чи топковими газами, що рухаються протитечією чи перехресним струмом до напрямку руху матеріалу.

Водно-стрічкових сушарках із суцільною стрічкою звичайно спостерігається нерівномірне висушування матеріалів: у внутрішній частині шару, зверненої до стрічки, кінцева вологість вище, ніж у його зовнішній частині, яку омиває газами чи повітря.

Більш ефективне застосування багатострічкових сушарок зі стрічками з металевої сітки. Стрічкові сушарки можуть працювати по різних схемах сушильного процесу. Стрічкові сушарки громіздкі і складні в обслуговуванні головним чином через перекоси і розтягання стрічок. Вони не придатні для сушіння пастоподібних матеріалів, тому для цих цілей їх використовують у комбінації з вальцовими сушарками.

Петлеві сушарки. Сушіння пастоподібних матеріалів, а також тонких листових (папера) роблять у безупинно діючих петлевих сушарках, що працюють при атмосферному тиску. У них сушіння здійснюється в шарі невеликої товщини (5…20 мм) при двостороннім омиванні стрічки гарячим повітрям і прогріві запресованого матеріалу металевим каркасом (сіткою), нагрітими вальцями. Це забезпечує велику швидкість сушіння в порівнянні з камерними сушарками. Разом з тим петлеві сушарки відрізняються складністю конструкції і вимагають значних експлуатаційних витрат.

Конвективні сушарки з перемішуванням шару матеріалу

Барабанні сушарки. Ці сушарки широко застосовуються для безупинного сушіння при атмосферному тиску кускових, зернистих і сипучих матеріалів (мінеральних солей, фосфоритів і ін.).

Типи промислових барабанних сушарок різноманітні: сушарки, що працюють при протитечії сушильного агента і матеріалу, з використанням повітря як сушильного агента, контактні барабанні сушарки й ін.

Конвективні сушарки з псевдозрідженим шаром матеріалу

Сушарки з киплячим шаром. Ці сушарки є одним із прогресивних типів апарата для сушіння.

Процес у киплячому шарі дозволяє значно збільшувати поверхню контакту між частками матеріалу і сушильним агентом, інтенсифікувати випар вологи з матеріалу і скоротити (до декількох хвилин) тривалість сушіння.

Сушарки з киплячим шаром у даний час успішно застосовуються в хімічній технології не тільки для сушіння сильно сипучих зернистих матеріалів (мінеральних і органічних солей), але і матеріалів, підданих комкованню (для ПВХ, поліетилену і т.д.), а також пастоподібних матеріалів (пігментів, анілінових барвників), розчинів, розплавів і суспензій. Найбільш поширені однокамерні сушарки беззупинної дії.

Однак застосовуються і багатокамерні сушарки. Вони більш складні по конструкції, вимагають великих питомих витрат сушильного агента й електроенергії. Крім того, процес у них трудніше піддається автоматизації. Їхнє застосування доцільне лише для матеріалів зі значним опором внутрішньої дифузії вологи, що вимагають тривалого сушіння, а також матеріалів, що потребують у регулюванні температурного режиму сушіння (у запобіганні перегріву). У них зручно сполучати процеси сушіння й охолодження матеріалів.

Для матеріалів, мало чуттєвих до нагрівання, застосовують двох і трьох секційні ступенево-протитічні сушарки з киплячим шаром. За рахунок протитоку матеріалу і сушильного агента досягається більш високий ступінь насичення газу вологою, але висушений матеріал стикається з найбільш гарячим теплоносієм.

За допомогою сушарок з киплячим шаром при раціональному апаратурному оформленні процесу досягається економічне сушіння з високим вологозйомом з одиниці об'єму сушильної камери. Тому при сушінні деяких продуктів (солей) сушарки з киплячим шаром витісняють барабанні і менш ефективні сушарки інших типів.

Розпилюючі сушарки. У цих сушарках досягається висока інтенсивність випару вологи за рахунок тонкого розпилення матеріалу, що висушується, у сушильній камері, через яку рухається сушильний агент (нагріте повітря чи потокові гази). При сушінні в розпиленому стані питома поверхня випару досягає дуже великої величини, і процес висушування завершується швидко (15-30 сек.). У цих сушарках досягається швидке сушіння в м'яких температурних умовах, що дозволяє одержати якісний порошкоподібний продукт, добре розчинний і не потребуючий подальшої зміни. Можливе сушіння і холодним теплоносієм, коли розпилюючий матеріал попередньо нагрітий. Однак устаткування дуже громіздке і дороге в експлуатації.

Конвективні сушарки з пневмотранспортом матеріалу

Для сушіння в зваженому стані зернистих (не сліпаються) і кристалічних матеріалів застосовують пневматичні сушарки.

Витрата енергії в пневматичних сушарках значний, причому він знижується зі зменшенням розміру часток матеріалу, що не повинний перевищувати 8-10 мм. Для сушіння матеріалів з великими частками, а також для видалення з матеріалу зв'язаної вологи пневматичні сушарки комбінують із сушарками інших типів. Таким чином, незважаючи на компактність і простоту пристрою, область застосування пневматичних сушарок обмежена.

Контактні сушарки

Вакуум-сушильні шафи використовують для сушіння малотоннажних продуктів у виробництвах з різним асортиментом продукції, де застосування високопродуктивних механізованих сушарок безупинної дії економічно не виправдано. Вони придатні для сушіння легкоокислюючихся, вибухонебезпечних і виділяючих шкідливі чи коштовні пари речовин. Однак вони малопродуктивні і малоефективні, оскільки сушіння в них відбувається в нерухомому шарі при наявності погано провідних тепло зазорів між листами і плитами, що гріють.

Грибкові вакуум-сушарки. У цих контактних сушарках періодичної дії швидкість сушіння трохи збільшується за рахунок перемішування матеріалу повільно обертовою горизонтальною мішалкою з грибками; разом з тим вони не вимагають ручного завантаження і вивантаження матеріалу. Продуктивність таких сушарок залежить від температури пари, що гріє, величини розрідження і початкової вологості матеріалу. Вони придатні для сушіння чуттєвих до високих температур, а також токсичних і вибухонебезпечних речовин, для одержання висушених продуктів підвищеної чистоти, а також у тих випадках, коли необхідне уловлювання (конденсація) пари неводних розчинників, що видаляються з матеріалів.

Вальцові сушарки. У них здійснюється беззупинне сушіння рідин і текучих пастоподібних матеріалів при атмосферному тиску чи при розрідженні. У вальцових сушарках можливе ефективне сушіння в тонкому шарі (плівці) матеріалів, що не витримують тривалого впливу високих температур (барвників). Тривалість сушіння регулюється числом оборотів вальців. Однак у сушарках без досушувателів часто не досягається необхідна низька кінцева вологість матеріалу.

Процес контактного сушіння не можна інтенсифікувати при використанні топкових газів унаслідок низьких коефіцієнтів тепловіддачі від газів до стінок вальців. Однак підвищення температури поверхні, що гріє, можливо у випадку використання для нагрівання високотемпературних теплоносіїв (дифенильної суміші).

Спеціальні види сушіння і типи сушарок

Розрізняють терморадіаційні, високочастотні і сублімаційні сушарки.

Терморадіаційні - у них необхідне для сушіння тепло повідомляється інфрачервоними променями. У такий спосіб до матеріалу можна підводити питомі потоки тепла, у десятки разів перевищуючі відповідні потоки при конвективному чи контактному сушінню. Тому при цьому процесі сушіння значно збільшується інтенсивність випару вологи з матеріалу. Однак при висушуванні товстошарових матеріалів швидкість сушіння може визначатися не швидкістю підведення тепла, а швидкістю внутрішньої дифузії чи вологи вимогами, пропонованими до якості матеріалу, що висушується, (неприпустимість дороблення, порушення структури і т.д.). терморадіаційне сушіння ефективне в основному для висушування тонколистових чи матеріалів лакофарбових покрить.

Екзаменаційний білет № 10

1. Теплове випромінювання. Загальні поняття та визначення.

Теплове випромінювання – це перенос тепла за допомогою електромагнітних хвиль, які випромінюються одним із середовищ і поглинаються іншим середовищем.

Теплове випромінювання являє собою процес розповсюдження внутрішньої енергії випроміненого тіла шляхом електромагнітних хвиль.

Електромагнітними хвилями називають електромагнітні збудження, які виходять з випромінюючого тіла і розповсюджуються у вакуумі зі швидкістю світла м/с. При поглинанні електромагнітних хвиль іншими тілами вони знову перетворюються в енергію теплового руху молекул. Збудниками електромагнітних хвиль є заряджені матеріальні частинки, тобто електрони і іони, які входять до складу речовини. При цьому коливання іонів відповідають випроміненню низької частоти; випромінення, обумовлене рухом електронів, може мати високу частоту, якщо вони входять до складу атомів і молекул і утримуються біля своєї рівноваги значними силами.

Випромінення характеризується довжиною хвилі  і частотою коливань .

Більшість твердих і рідких тіл мають суцільний (безперервний) спектр випромінювання. До твердих тіл, маючих безперервний спектр випромінення, відносяться непровідники і напівпровідники електрики, метали з окисленою, шорсткою поверхнею.

Метали з полірованою поверхнею, гази і пари характеризуються селективним (преривистим) спектром, інтенсивність випромінювання залежить від природи тіла, його температури, довжини хвилі, стану поверхні, а для газів - ще й від товщини шару і тиску.

Тверді і рідкі тіла мають значні поглинальні і випромінювальні здібності. Внаслідок цього в процесах променевого теплообміну беруть участь лише тонкі поверхневі шари: для непровідників теплоти вони складають біля 1 мм, для провідників теплоти 1 мкм. Тому в цих випадках теплове випромінювання наближено, можна розглядати як поверхневе явище. Напівпрозорі тіла (плавлений кварц, скло та інші), а також гази і пари характеризуються об’ємним характером випромінення, в якому беруть участь усі частинки об’єму речовини.

Випромінення всіх тіл залежить від температури. Зі збільшенням температури тіла його енергія випромінення збільшується, так як збільшується внутрішня енергія тіла. При цьому змінюється не тільки значення цієї енергії, але й спектральний склад. При збільшенні температури підвищується інтенсивність короткохвильового випромінення і зменшується інтенсивність довгохвильового випромінення. В процесах випромінення залежність від температури значно більша, ніж в процесах теплопровідності і конвекції. Внаслідок цього при високих (приблизно при t=600^C) температурах основним видом переносу може бути теплове випромінення.

Довжини хвиль теплового випромінення лежать в основному в невидимій (інфрачервоній) частині спектру і мають

довжину 0,8-80 мк. Вони відрізняються від видимих світлових променів тільки довжиною (довжина світлових хвиль 0,4-0,8 мк).

Класифікація електромагнітного випромінювання в залежності від довжини хвилі.

Вид випромінення	Довжина хвилі, мм
Космічне
-випромінення
Рентгенівське
Ультрафіолетове
Видиме
Теплове (інфрачервоне)
Радіохвиді

Потік променів, випущених нагрітим тілом, потрапляючи на поверхню іншого променевипускаючого тіла, частково поглинається, частково відбивається (при цьому кут падіння дорівнює куту відбиття) і частково проходить крізь нього без змін.

Нехай Q-загальна енергія падаючих на тіло променів,

Q_погл- енергія поглинена тілом,

Q_відр- енергія відбита від поверхні тіла

Q_пр- енергія променів, які пройшли крізь тіло без змін.

Тоді баланс тепла складає:

(144)

або в долях від загальної енергії падаючих променів

(145)

В максимумі кожний з трьох доданків може дорівнювати одиниці, якщо кожний з двох залишившихся дорівнює нулю.

При і відповідно , тіло повністю поглинає всі падаючі на нього промені. Такі тіла називаються абсолютно чорними.

При і тіло відбиває всі падаючі на нього промені. Ці тіла називаються абсолютно білими.

При тіло пропускає всі падаючі промені. Такі тіла називаються прозорими або діатермічними.

Абсолютно чорних, абсолютно білих чи абсолютно прозорих тіл реально не існує. Всі тіла в природі, які поглинають, відбивають і пропускають ту чи іншу частину падаючих на них променів називаються сірими тілами.

З реальних тіл до абсолютно чорного надто наближається сажа, яка поглинає всіх променів.

Майже всі гази ( виключаючи деякі багатоатомні) є прозорими або діатермічними.