Laboratorna_robota_3_6

Задача 3.6

Розрахувати конденсатор змішування. Конденсацію парів часто використовують в основних технологічних процесах, наприклад, при фільтруванні, випарюванні, кристалізації та сушінні для створення в апаратах розрідження.

З апаратів пара поступає в конденсатори змішування, де стикається з охолоджувальною водою. Конденсат, який утворюється, змішується з водою. Оскільки об’єм конденсату в тисячу і більше разів менший об’єму пари, з якої він утворився, в конденсаторі створюється розріджений простір. Розрідження збільшується зі зменшеням температури конденсації. Остання в свою чергу тим нижче, чим більша витрата води і нижче кінцева температура суміші води і конденсату (барометричної води).

Одночасно з процесом конденсації в конденсаторі відбувається накопичення неконденсованих газів (повітря, СО2, NH3 та ін.), які поступають в аппарат разом з парою та водою (при розрідженні із охолоджувальної води виділяється повітря). Через нещільності в з’єднаннях трубопроводів в конденсатор також проникає повітря. В міру накопичення неконденсованих газів (в основному повітря) і збільшення їх парціального тиску зменшується розрідження в конденсаторі. Тому для підтримання його на необхідному рівні потрібно безперервно відводити із конденсатора неконденсовані гази за допомогою вакуум-насосів.

Широке застосування в харчових виробництвах отримали барометричні конденсатори (рисунок), в яких пара і вода рухаються в протилежних напрямках (пара – знизу вверх, вода – зверху вниз). Причому, для покращення їх стикання в апараті по висоті розташовані тарілки чи полиці. Неконденсовані гази відсмоктуються зверху вакуум-насосом, а барометрична вода відводиться через барометричну трубу самотечією.

28

Рис.3.3.1.

Розрахувати барометричний конденсатор за таких вихідних даних: кількість пари – D кг/год; розрідження в конденсаторі – Рвак, кПа; атмосферний тиск –Ратм, кПа; початкова температура води – tП, °С.

Таблиця 3.3.1

1. Витрата охолоджуючої води.

Витрату охолоджуючої води W на повну конденсацію пари визначаємо з рівняння теплового балансу :

29

де i –ентальпія пари, Дж/кг; св –теплоємність води, Дж/(кг К); tп,tк –початкова і кінцева температури води, відповідно °С.

Термодинамічні властивості водяної пари (і, температуру tвп, густину ρвп,) знаходимо з таблиці Д. 9 за абсолютним тиском в конденсаторі Р .

де t =3…4 °C або приймається виходячи з практичних даних.

2. Діаметр конденсатора.

Внутрішній діаметр конденсатора знаходимо з рівняння :

де w –швидкість руху пари у вільному перерізі корпуса конденсатора, яка дорівнює 15…22 м/с. Для подальших розрахунків за отриманим значенням dк округляємо діаметр до найближчого більшого в мм, кратного 100 мм.

3. Кількість полиць і висота конденсатора

Встановлено, що більша частина пари конденсується на верхніх полицях (тарілках). Тому для спрощення розрахунку та конструкції конденсатора приймають однакову відстань між полицями в межах h=( 0,4…0,6)dк та витрату води на всіх полицях W = (W + D), кг/с.

За таких умов кількість полиць N можна розрахувати за формулою:

де t1 - температура води після першої (зверху) полиці при вході на другу, °С.

Величину t1 розраховують із формули:

де dе – еквівалентний діаметр струмини з першої полиці, м; w– початкова швидкість стікання води з першої полиці, м/с; h – відстань між полицями, м.

30

полиці, м.

Величину h1 знайдемо з рівняння для водозливу:

де η=0,63 – коефіцієнт витрат.

Тоді

Після визначення числових значень w і de підставляємо їх у праву частину формули (3.7) і знаходимо величину температури води після першої полиці t1. Далі підставляємо t1 в формулу (3.6) для розрахунку кількості полиць N. До розрахованої кількості полиць N додають одну резервну N1 = N + 1.

Для визначенні кількості полиць N за більш точною методикою з урахуванням процесу теплообміну на кожній полиці, розрахунок ведуть так (за окремим завданням студенту):

1) Витрата води на першій полиці дорівнює W.

2) З формули (3.7) визначають температуру t1, як і в спрощеному варіанті.

3) З рівняння теплового балансу для ділянки конденсатора І між першою і другою полицями знаходять кількість сконденсованої пари

D1,кг/с

31

5)З формули (3.7) визначають t2. Для цього замість температур

tп і t1, підставляють відповідно t1 і t2. При цьому числові значення w і de знаходять виходячи з кількості води W1 на другій полиці.

6)Розрахунок продовжують від полиці до полиці за п.п. 2,3,4,5 до співпадання числових значень температури води, яка стікає з

останньої полиці, tN з кінцевою температурою барометричної води tк. Отримане розрахункове значення tN може бути і більше tк на декілька

°С.

Результати зводять в таблицю 3.3.2 Висоту конденсатора знаходимо з рівняння (3.16):

де wmp =0,3 … 0,6 ,м/с.

Висота барометричної труби розраховується за формулою:

де H1 - висота напору, яка необхідна для врівноваження атмосферного тиску; H2 – висота напору, яка необхідна для подолання гідравлічних опорів і надання воді швидкості wmp, м; 1,0 – запас висоти труби, м.

λ = 0.02...0.03 або розраховують за відповідними формулами з гідравліки.

32

Величину H в формулі (3.20) попередньо приймають як

H =(H1 +1,05) ,м.

5. Кількість повітря, що відсмоктується з конденсатора.

Для її визначення використовують емпіричну формулу:

дорівнює тиску насиченої пари при температурі повітря tпов, Па; (табл. Д.9 ); Р – тиск в конденсаторі, Па;

Для відсмоктування повітря з конденсаторів застосовують водокільцеві вакуум-насоси (ВВН). Продуктивність вакуум-насоса по кількості повітря в залежності від його типу становить, м3/хв: ВВН- 1,5 – 1,53; ВВН-3 – 3,2; ВВН-6 – 6,0; ВВН-12 – 12; ВВН-25 – 28,8; ВВН-50 – 50.

33

6. Діаметри патрубків.

Розраховуємо діаметри патрубків для води, пари і повітря, що відсмоктується з конденсатора, за формулою:

де w- швидкість руху відповідно води, пари, повітря, яку вибираємо з інтервалів: wв =0,8...1,5 ,м/с; wпар = 50...60 ,м/с; wпов=

15…20, м/с.

Запитання до лабораторної роботи

1.Теплообмін (визначення, способи перенесення теплоти, теплопередача, теплоносії), основні формули для розрахунку теплообміну.

2.Характеристика теплоносіїв, що застосовуються в харчовій промисловості.

3.Схеми взаємного руху теплообмінних середовищ і розрахунок середньої різниці температури між ними.

4.Схеми трубчастих теплообмінних апаратів, принцип їх роботи, переваги і недоліки, область застосування.

5.Схеми теплообмінних апаратів з плоскими теплообмінними поверхнями і принцип дії, переваги і недоліки, область застосування.

6.Схеми калориферів і принцип їх роботи, область застосування; способи і призначення оребрення теплообмінних поверхонь.

7.Методика проектного розрахунку теплообмінних апаратів.

8.Методика перевіркового розрахунку теплообмінних апаратів.

9.Теплова ізоляція, теплоізоляційні матеріали та їх характеристика; розрахунок товщини шару ізоляції.

10.Шляхи інтенсифікації процесу теплообміну в апаратах.

11.Вибір типу теплообмінника.

12.Випарювання (визначення, рушійна сила, способи випарювання, область застосування).

13.Зміна основних властивостей робочих середовищ під час випарювання.

14.Принципові схеми випарних установок (однокорпусних, багатокорпусних, з термокомпресією, з паровідбором, таких, що

34

працюють під час розрідження, з прямотечійним, паралельним і протитечійним режимом живлення).

15.Повна і корисна різниця температур однокорпусної випарної установки (визначення і методика розрахунку).

16.Повна і корисна різниця температур багатокорпусної випарної установки; температурні втрати (визначення і методика розрахунку).

17.Питома витрата пари на випарювання в однокорпусній і багатокорпусній випарній установці; в вакуум-установці з термокомпресією.

18.Визначення оптимального числа корпусів випарної установки.

19.Методика складання матеріального і теплового балансів однокорпусної випареної установки; визначення кількості випареної води; визначення витрати нагрівної пари.

20.Методика проектного розрахунку випарної установки.

21.Методика перевіркового розрахунку випарної установки.

22.Схеми випарних апаратів з внутрішньою поверхнею теплопередачі, природною і вимушеною циркуляцією і принцип їх роботи (переваги і недоліки, область застосування).

23.Вибір типу випарної установки і випарного апарата.

24.Схеми випарних апаратів з виносною поверхнею теплопередачі, природною і вимушеною циркуляцією і принцип їх роботи (переваги, недоліки, область застосування).

25.Особливості випарних апаратів, що застосовуються для упарювання термолабільних (термостійких) продуктів (навести їх принципові схеми).

26.Випарні апарати з плівковим рухом упарюваного середовища в нагрівній камері, прямотечійні випарні апарати.

27.Конденсація (визначення, область застосування, способи конденсації, рушійна сила процесу, типи конденсаторів).

28.Поверхневі конденсатори, методика їх розрахунку.

29.Конденсатори змішування (область застосування, схеми і принцип роботи).

30.Методика розрахунку конденсаторів змішування.

35

4. МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ

Задача 4.1.

Розрахувати барабанну сушарку з реальним процесом сушіння. Основний елемент барабанної сушильної установки – циліндричний барабан, що обертається, з внутрішньою насадкою, яка сприяє переміщенню матеріалу. Сушильний агент (повітря), параметри якого І0, d0, t0, ϕ0, надходить у калорифер, де підігрівається до стану І1, d1 t1, ϕ1, а потім подається в сушильний барабан (рис. 4.1.1).

Установка працює за принципом прямотечії повітря і матеріалу під час сушіння цукру-піску і протитечії під час сушіння крохмалю.

Вихідні дані для розрахунку: продуктивність сушарки по висушеному матеріалу - G2; питома теплоємність абсолютного сухого матеріалу - Сс.м; вологість матеріалу у відсотках до загальної маси: початкова - ω1, кінцева - ω2; температура матеріалу, який надходить на сушіння - θ1; температура матеріалу, який виходить з сушильного

барабана - θ2.

Параметри повітря: температура свіжого повітря, що надходить до калорифера - t0; відносна вологість свіжого повітря - ϕ0, температура повітря, що надходить до сушильного барабану - t1; температура відпрацьованого повітря, що виходить з сушильного барабана - t2; втрати тепла в навколишнє середовище – Qн.с; напруга барабана на волозі – А.

Під час виконання лабораторної роботи необхідно: скласти принципову схему сушильної установки і показати продуктові і теплові потоки та їх параметри; побудувати і описати процес, що протікає в сушильній установці, в І -Х діаграмі.

36

В результаті графоаналітичного розрахунку визначити: кількість випареної вологи; параметри повітря, що надходить до калорифера І0, х0; параметри повітря на виході з калорифера - І1, х1, ϕ1; на виході із сушильного барабана – І2, х2, ϕ2; питому і повну витрату повітря; питому і повну витрату теплоти в калорифері; основні розміри сушильного барабана.

Вихідні дані до розрахунку барабанної сушарки наведені в таблиці (4.1.1).

Методика розрахунку барабаної сушарки з реальним процесом сушіння Барабанну сушарку розраховують аналітично і графічно за допомогою діаграми вологого повітря.

1.Розрахунок продуктивності барабанної сушарки за вологим матеріалом.

Нехтуючи втратами сухої речовини під час сушіння, продуктивність сушарки за вологим матеріалом, кг/год можна

2. Розрахунок кількості випареної вологи.

Згідно з законом збереження речовини кількість випареної

або

ω1 − ω2

W = G2 1 0 0 − ω1 ,

3. Тепловий розрахунок барабанної сушарки

Відмінність дійсного сушильного процесу, що відбувається в

37