книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1
.pdfПроверим, -будут ли выноситься из аппарата наименьшие частицы соли (диа метр ~0,1 мм). Критерий Архимеда:
|
». |
<Ррмат£Р2 |
. l -10-«.2-l0*.9,81-0,8067 |
„ „„ 1Л |
|
|
Аг* |
-----3 ------------------ |
2Г043М0'-и--------- |
= 3’79‘Ш- |
|
Критерий Лященко, соответствующий уиосу частиц, будет равен |
Ьувит < |
||||
< 0,16, |
а скорость витания частиц диаметром 0,1 мм: |
|
|
||
швит = |
7Ь увИтРгРма^/Р5 - |
V 0,16-2,043.10-*-2-103-9,81/0,8067* = |
0,453 м/с. |
||
Таким образом, аппарат с вертикальными стенками не обеспечит осаждения в сепарационном пространстве частиц соли диаметром 0,1 мм. Для того чтобы обес печить их осаждение, сечение сепарациониого пространства следует расширить до значения
- U-WSS £ § Г - и.» *>•
Здесь коэффициент 1,1 вводится для некоторого снижения скорости потока по сравиеиню со скоростью витания, необходимого для обеспечения осаждения частиц.
Диаметр сепарациоиного пространства при этом будет равен:
^сеп ^ V Scen/0,785 = V 10,7/0,785 = 3,69 м.
Эскиз сушилки дай на рис. ЮЛ6.
ПРИМЕР РАСЧЕТА ВАЛЬЦОВОЙ СУШИЛКИ
Определить основные размеры двухваяъцовой сушилки для сушки пасты углекислого никеля производительностью 90 кг/ч пасты. Начальная влажность
75%, |
конечная 10% (на общую массу). Сушилка обогревается |
глухим паром |
(Ррбс |
1 кгс/см2, т. е. ~0,1 МПа). Толщина слоя материала |
мм. Толщина |
стеики чугунного вальца 10 мм. Над поверхностью материала продувается воздух со скоростью 1,5 м/с. Температура воздуха 40 °С, <р = 40%.
Р е ш е н и е . Расчет сушилки можно сделать через коэффициент теплопере дачи от пара к воздуху. Процесс передачи теплоты в вальцовой сушилке проис ходит следующим образом: от конденсирующегося пара теплота передается стенке барабана, а от него — высушиваемому материалу. Влага, испаряющаяся на мате риале, диффундирует в воздух, унося с собой соответствующее количество теп лоты. Можно подсчитать количество диффундирующей влаги и, исходя из этого количества, определить эквивалентный коэффициент теплоотдачи.
Примем коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке барабана а = 9280 Вг/(м2-К). Коэффициент теплопроводности чугуна Хч =
— 46,4 Вт/(м* К), средний коэффициент теплопроводности высушиваемого мате
риала Л,мат = |
0,8 Вт/(м-К). |
|
|
|
|
|
из |
Эквивалентный коэффициент теплоотдачи при испарении влаги определяем |
|||||
следующего уравнения: |
|
|
|
|
||
|
|
_ |
Яисп |
Gf |
; |
9 |
|
|
“йен — |
д4 — |
^мат — |
||
|
|
|
а1 |
|
|
|
где г — удельная теплота парообразования, Дж/кг. |
|
|||||
[в |
Так как |
по уравнению |
(10.25) удельный расход испаряемой влаги <3 |
|||
кг/(м-ч)] |
равен |
|
|
|
|
|
G = 0,04075а;0,8 Ар,
то коэффициент теплоотдачи а исл 1в Вт/(м2-К) ] может быть рассчитан ло .уравне нию:
0,04075а/),й Apr аиси А*. 3600
Зададимся (с последуй щей проверкой) температурой наружной поверхности материала 0мат — 80 °С (допустимая температура для углекислого никеля не выше 85 °С). Давление насыщенного водяного пара при 80 °С РНас = 355 мм рт. ст.; парциальное давление водяного пара ри в воздухе при t — 40 °С и <р — ОД
сскгтавляет 22,4 |
мм рт. ст. Удельная теплота парообразования |
воды |
прп атмо |
|
сферном давлении г = 2264-10^ Дж/кг. |
|
при |
испарении: |
|
Седова гельно, эквивалентный коэффициент теплоотдачи |
||||
а И Г П — |
0,04075-1,50,8 (355 — 22,4) 2264.103 |
= 294 Вт/(м2-К). |
||
|
(80 — 40) ЗЬОО |
|
|
|
Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к воздуху:
К |
|
|
1 |
= 203 Вт/(м2- К). |
|
1 |
0,01 |
0,001 |
|||
|
1 |
||||
|
9280 + |
46,4 + |
0,8 + |
294 |
Удельная тепловая нагрузка:
q = К (/пара - *возд) = 203 (100 — 40) = 12 180 Вт/м2.
Проверим принятую температуру поверхности материала Фиат п0 уравнению:
Д/ |
№ исп = 12 180/294 = |
41.4 °С = |
41,4 К. |
|
Температура поверхности материала: |
|
|
||
Омат 2=5 /возд Ч” Д/ ^ |
40 |
41,4 = |
81,4 С# |
|
что близко к принятой. |
|
|
|
|
Расход воды, испаряемой в сушилке: |
|
|
||
W |
Цн — Цк |
90 |
75— 10 |
= 65 кг/ч. |
100 — |
100— 10 |
|||
Расход теплоты на подогрев материала и на испарение влаги:
90-3,46* 103 (81,4 — 15) +65*2264*103 |
|||
Q |
|
3600 |
46500 Вт. |
|
|
|
|
Необходимая площадь цоверхности иагрева вальцовой сушилки: |
|||
|
Q |
46 500 |
|
F |
я |
12 180*0,75 = 5,38 |
ма, |
где 0,75 — коэффициент, |
учитывающий фактическую |
поверхность соприкосно |
|
вения материала с греющей поверхностью вальцов. |
|
||
По нормалям ближайшая двухвальцовая сушилка имеет F = 5,2 м2 (диаметр вальцов 600 мм, длина 1400 мм). Эту сушилку мы и выбираем, хотя площадь ее поверхности иагрева немного меньше, чем требуется по расчету. Для обеспечения заданной производительности потребуется несколько увеличить давление грею щего пара, что легко отрегулировать на практике.
Тепловые потери сушнлкн должны быть учтены при определении расхода греющего пара.
Пример расчета камерной сушилки с рециркуляцией воздуха — см. Седьмое издание этой книги, 1У70 г.
Примеры расчета барабанной сушилки и вакуум-сушильного шкафа — см, шестое издание этой книги, 1964 г,
0,9
0,6
0,7
0,6
0,5
0,4
0,32 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Рис. 11.5. Значения |
|
|
|
PlPo |
прямоточных аммиачных |
||||
коэффициентов |
i)j и & для вертикальных |
||||||||
компрессоров |
( |
-------- |
) |
и для |
горизонтальных аммиачных |
комярессоров двойного |
|||
действия |
( — — —), |
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 11.в. Идеальный процесс сжижения газа.
ваться значениями коэффициента подачи Я, приведенными на рис. 11.5, в зависи мости от отношения давления в конденсаторе р к давлению в испарителе р0); qv — объемная холодопроизводительность (в Дж/м3) холодильного агента, равная
= Pi |
(П-в) |
и /в — удельные энтальпии холодильного агента на выходе из испарителя и иа входе в него (см. рис. 11.3 или 11.4), Дж/кг; рх — плотность пара, всасываемого компрессором, кг/м3.
6. При пересчете холодопроизводительности Q0 компрессора на другие условия (Qo) при неизменной частоте вращения пользуются формулой:
Нормальными условиями работы паровой компрессионной хо лодильной установки при одноступенчатом сжатии считаются: температура испарения —10 °С, температура конденсации 25 °С, температура переохлаждения жидкого хладагента 15 °С.
7. Минимальная работа, необходимая для ожижения 1 кг газа при идеальном процессе сжижения (рис. 11.6):
^МИН ** 7*1 (Si — S0) — ( ij— i0)9 |
(11.10) |
где Tt, Si и ii — температура, удельные энтропия и энтальпия газа в начальном состоинии (точка /); S0 и £0 — удельные энтропия и энтальпия жидкости (точка О).
Хотя практически идеальный процесс сжижения неосуществим, но LMHH имеет значение как масштаб, с которым сравнивают ре альные циклы.
8. Ожижение воздуха с расширением его без отдачи внешней работы — дросселированием (цикл Линде).
а) Простой регенеративный цикл — см. стр. 477.
Удельная холодопроизводительность цикла q (в Дж/кг):
я = к — к |
( 11. 11) |
Здесь if, i6 — удельные энтальпии расширенного и сжатого воздуха при тедоператугг ре входа в теплообменник, Дж/кг.
Ожижаемая доля |
воздуха: |
|
|
У— |
Я <7пот _ |
(к — ^з) — <7пот |
!2) |
|
i\ — ÎQ |
ii — к |
* |
где i0 — удельная энтальпия жидкого воздуха (при давлении расширенного воз духа ), Дж/кг; qnoT — суммарные потери холода, отнесенные к I кг перерабаты ваемого воздуха.
б) Цикл с предварительным (аммиачным) охлаждением. Удельная холодопроизводительность цикла q' (в Дж/кг):
з. (П.13)
где i[ и i\ — удельные энтальпии расширенного и сжатого воздуха при темпера туре входа в основной теплообменник после аммиачного холодильника, Дж/кг.
Ожижаемая доля |
воздуха: |
|
|
у = |
Ч.’ - Я т т = |
(f; - li) - g nor ' |
(11Л4) |
|
1\ *0 |
к “ *0 |
|
Удельное количество теплоты qa (в Дж/кг), передаваемой в ам миачном теплообменнике (считая на 1 кг сжатого воздуха)
Яа = я' — я + у Vi — iib |
(11.15) |
Здесь q' — удельная холодопроизводительность цикла [формула (11.13)]; |
|
q — удельная холодопроизводительность цикла в случае |
отсутствия предвари |
тельного аммиачного охлаждения [формула (11.11)]; if и |
— см. формулы (11.11) |
и (И .13). |
|
в) Цикл с циркуляцией воздуха под давлением — см. стр. 479. Удельная холодопроизводительность цикла q (в Дж/кг):
я = (к - к) + М (/! - к), |
(П• 16) |
где ilt i2l i3 — удельные энтальпии расширенного воздуха, сжатого воздуха сред него давления и сжатого воздуха высокого давления соответственно при темпераауре входа в основной теплообменник, Дж/кг; М — доля воздуха, дросселируе мого до низкого давления (обычно 0,2—0,4).
Ожижаемая доля |
воздуха: |
|
||
|
|
У__ |
(к — *‘э) Л~ М Ut — к) — Япот |
yj| jTj |
|
|
|
*1 — к |
|
Обозначения те же, что и в формуле (11.12). |
|
|||
9. |
Ожижение воздуха при расширении его с отдачей внешней |
|||
работы |
в детандере. |
давления (Клода) — см. стр. |
480. |
|
а) Цикл |
среднего |
|||
Удельная |
холодопроизводительность цикла q (в Дж/кг): |
|||
|
|
|
Я=~ Ui — 1ц) + м 08 — ‘«J» |
(11.18) |
где ll9 /2 — удельные энтальпии расширенного и сжатого воздуха при температуре входа в основной теплообменник, Дж/кг; /3, /4 — удельные энтальпии сжатого воздуха при входе в детандер и при выходе из него, Дж/кг; М — доля воздуха, направляемого в детандер (обычно принимают М = 0,8).
Для воздуха, расширяющегося в детандере, в этом цикле обычно принимают:
/3 — — 0,65 Л/до — 0,65 (/3 — t6).
Здесь А/и8 — изменение удельной энтальпии воздуха при изоэнтропическом процессе; /б — удельная энтальпия воздуха при давлении после детандера и при той же энтропии, что и /3, Дж/кг.
Ожижаемая доля воздуха:
г |
(*1 h) + М (|*з--- /4) --- ^дот | |
^J| jgj |
Н/о
Обозначения те же, что и в формуле (11.18). |
482. |
|
б) Цикл |
высокого давления (Гейландта) — см. стр. |
|
Удельная |
холодопроизводительность цикла q (в Дж/кг): |
|
|
g = (ii-is) + M(i9-U ), |
(11.20) |
где ilt f3 — удельные энтальпии расширенного и сжатого воздуха при темпера туре входа в основной теплообменник и в детандер, Дж/кг; i4 — удельная энталь пия воздуха по выходе из дегандера, Дж/кг; М — доля воздуха, направляемого
вдетандер (обычно принимают М = 0,454-0,5).
Вэтом цикле можно принять для воздуха, расширяющегося
вдетандере:
/3 — /4 = 0,75 Д/„з = 0,75 (/3 — /в).
Ожижаемая доля воздуха:
|
___0 i — /в) + |
М (*з — U ) — <7пот |
|
(11.21) |
|
|
У— |
: |
т |
• |
|
|
|
1\ |
/0 |
|
|
в) |
Цикл низкого давления с турбодетандером (Капицы)— см. |
||||
стр. 483. |
|
|
|
|
|
Ожижаемая доля воздуха: |
|
|
|
|
|
|
(£i — /а) + (1 — ау) (/3 — /4)— дпот |
( 11. 22) |
|||
|
у |
h - io |
|
||
|
|
|
|||
где ilt /2 — удельные энтальпии расширенного и сжатого воздуха при темпера туре входа в основной теплообменник, Дж/кг; i8, /4 — удельные энтальпии сжа того воздуха перед турбодетандером и после него, Дж/кг; а — коэффициент, учи тывающий испарение при дросселировании жидкости от давления конденсации
до атмосферного давления (при давлении конденсации Рабе = 5,89-105 Па = = 6 кгс/см2 а — 1,25).
Можно принять для воздуха, расширяющегося в турбодетан дере:
/3 - /4 = о,8 д/из = 0,8 (/3 - /Б). |
(11.23) |
Здесь /Б — удельная энтальпия воздуха при давлении после детандера и при той же энтропии, что и /3, Дж/кг,
10. Потери холода ^пот складываются из двух слагаемых:
QUO’T ^ Япеп "4" Яо» с- |
(П .24) |
Потери холода от недорекуперации (в Дж/кг):
Чнед — ^рА/, |
(11.25) |
г, р — удельная теплоемкость газа при температуре выхода из теплообменника, Дж'(кг-К); А/ — разность температур сжатого воздуха, входящего в теплооб менник, и расширенного воздуха, выходящего из теплообменника, К.
Потери холода в окружающую среду (через изоляцию) q ^c составляют обычно 4—12 кДж на J м3 (при нормальных усло виях) перерабатываемого воздуха.
ПРИМЕРЫ
Пример 11.1. Определить холодильный коэффициент компрес сионной холодильной установки, работающей по циклу Карно, если температура в испарителе — 23 °С, а в конденсаторе 27 °С.
Р е ш е н и е . По формуле (11 П получаем:
Г0 |
273 |
— 23 |
€* Т — Т0 ~ |
(273 + 27) |
— (273 — 23) ~~ |
Пример 11.2. Вычислить теоретическую мощность, затрачи* ваемую холодильной установкой, работающей по циклу Карно и. отводящей в 1 с 17 400 Дж, при —19 °С (температура испарения).
Температура конденсации 15 °С. |
|
|
||
Р е ш е н и е . |
Холодильный коэффициент: |
|||
|
к — т — т 0 |
254 |
:7,5. |
|
|
268 — 254 |
|||
|
|
|||
Теоретическая |
мощность: |
|
|
|
AL |
I |
Qo |
17 400 |
= 2,32 кВт. |
1000 |
®к* Ю» |
7,5-10* |
||
Пример 11.3. Найти минимальную (для цикла Карно) теоре |
||||
тическую мощность |
компрессор г. аммиачной холодильной уста |
|||
новки и расход воды в конденсаторе при выработке в 1 ч 500 кг
льда из |
воды, |
имеющей |
температуру 0 °С. Аммиак кипит при |
|||||
—7 °С, |
а |
конденсируется |
при |
20 °С. Вода |
в конденсаторе |
нагре |
||
вается |
от |
10 до |
15 °С. |
выделяющаяся |
при замерзании |
водыз |
||
Р е ш е н и е . |
Теплота, |
|||||||
|
|
|
500-339,1-1000 |
47 100 Вт, |
|
|||
|
|
|
Qo |
3600 |
|
|
||
где 339,1-108 Дж/кг — удельная теплота замерзания воды.
Мощность компрессора (за вычетом работы изоэнтропического расширения):
Qo |
293 — 266 |
47 100 = 4780 Вт. |
® |
266 |
|