1. Определяем термодинамические параметры воды и водяного пара. Температуру воды на входе в барометрический конденсатор принимаем tвх.к=15 ºС. Температуру воды, уходящей из корпуса конденсатора, принимаем на 3 º ниже температуры насыщенного пара (табл.1.1), уходящего из конечного корпуса выпарной установки, т.е.
tвых,к.= tвт.п.II –3 = 49,10 – 3= 46,10 оС .
Теплоемкость воды [св , Дж/(кг К)] при средней температуре 
находим из таблицы П. 5.1 приложения 5, св=4,18 кДж/кг×К.
Энтальпия водяного пара (i, Дж/кг), поступающего на конденсацию – определяется по таблице П. 5.16. приложения 5 при давлении конденсации Рконд=Рвт.п.. В нашем случае Рконд=Рвт.п. =12 кПа:
i = 2589,00 кДж/кг.
2. Определяем расход воды. Расход воды (кг/с) на полную конденсацию насыщенного пара в однокорпусном конденсаторе рассчитываем по формуле
где Wn – количество конденсирующегося пара, поступающего из последнего корпуса выпарной установки. В нашем случае Wn = W2.
3.Определяем объем пара. Объем пара, проходящего через конденсатор, находим по формуле
где ρ – плотность пара кг/м3 (таблица П.5.2, приложения 5).
4. Рассчитываем диаметр корпуса. Задаем скорость движения пара в корпусе конденсатора ωп=18¸22 м/с и рассчитываем диаметр его корпуса по формуле:
м.
Округляем расчетный диаметр корпуса конденсатора до ближайшего большего по каталогу или по типовому ряду размеров, кратному 0,2 , и получаем 0,6 м .
5. Определяем высоту слоя воды. Высоту слоя воды на полке рассчитываем по формуле:
где b - ширина полки конденсатора, определяемая по формуле:
.
6. Определяем начальную скорость истечения воды. Начальная скорость истечения воды с первой полки опредяется:
,
где ρв – плотность воды (кг/м3) (таблица П.5.1, приложения 5).
7. Определяем среднюю скорость истечения воды. Средняя скорость истечения воды с полки:
где Н– расстояние между полками и определяется, как:
Н = 0,35·d к = 0,35·0,6 = 0,21 м.
8. Определяем эквивалентный диаметр струи. Эквивалентный диаметр струи рассчитывается:
где 
м.
9. Определяем температуру воды, уходящую с первой полки. Температуру воды, уходящую с первой полки, t в.1 находим из уравнения:
=
= 
=
= 
ºС.
10. Определяем число необходимых ступеней конденсации. Число необходимых ступеней конденсации рассчитываем по формуле:
.
Число полок в конденсаторе принимаем на единицу больше, т.е. 17.
11. Определяем внутренний диаметр барометрической трубы. Внутренний диаметр барометрической трубы определяем по формуле:
,
где ωб.в. – принимаемая скорость воды в барометрической трубе (м/с),
ωб.в.= 0,3÷0,5 м/с.
12. Определяем высоту барометрической трубы:
где P разр – разряжение в конденсаторе (P разр = Ратм – Рконд), кПа,
Ратм – атмосферное давление, кПа;
Σξ – сумма коэффициентов сопротивления местных потерь напора (принимается 1,5);
λ – коэффициент сопротивления трению на прямом участке трубы (для технически шероховатых труб принимаем 0,02¸0,04);
Но – ориентировочная высота барометрической трубы (принимается 10 м);
d б – внутренний диаметр барометрической трубы, м.
м.
С учетом погружения на 1 м в сборник воды, принимаем высоту барометрической трубы 10,64 м.
13. Определяем количество воздуха. Количество воздуха, откачиваемого из конденсатора вакуум-насосом определяем по эмпирической формуле:
14. Определяем температуру воздуха. Температуру воздуха определяем по формуле:
15. Определяем парциальное давление воздуха в конденсаторе. Согласно таблицам П.7.1 и П.9.1, соответственно приложений 7 и 9, или применив диаграмму Рамзина, приложение 8, при температуре воздуха 22,11ºС парциальное давление водяного пара в воздухе Рпарц = 2642,5 Па, тогда парциальное давление воздуха в конденсаторе:
Рвозд = Рконд – Рпарц = 12000 – 2642,5 = 9357,5 Па.
16. Определяем объем воздуха, откачиваемого насосом:
.
| штамп |
| штамп |
2.1. Общие определения и понятия
Сушка – это процесс или способ разделения однородных или неоднородных систем, заключающийся в удалении влаги с использованием тепловых и диффузионных явлений .
В процессе сушки влага материала передается сушильному агенту и вместе с ним удаляется из рабочей зоны сушилки.
Этим сушка отличается от других способов удаления влаги – механического (отжим в прессах или центрифугах) и физико-химического, основанного на применении водоотнимающих средств.
Сушке могут подвергаться твердые материалы (кристаллические, такие как, сахар, соль и др.), коллоидно-дисперсные (эластичные и хрупкие гели и капиллярно-пористые тела). К эластичным гелям относятся: желатин, агар-агар, прессованное мучное тесто. Эти тела в высушенном состоянии сжимаются, сохраняя эластичность. К хрупким гелям относят: древесный уголь, керамические материалы. Эти тела становятся хрупкими после высушивания. К коллоидным капиллярным телам относят: торф, древесину, кожу, зерно, хлеб и др. Стенки их капилляров эластичны. После высушивания они дают усадку и становятся хрупкими. А также сушке подвергаются жидкости ( растворы кристаллоидов и коллоидные растворы).
Влага может быть связана с материалами по-разному:
– химически (ионная, молекулярная связь). Такая влага, может быть удалена прокаливанием или химическими методами. Сушка для ее удаления не пригодна;
– физико-химически ( удерживается адсорбцией, осмотически, структурно) влага может быть удалена сушкой;
– механически (находится в капиллярах или на смоченной поверхности), влага так же может быть удалена сушкой.
Адсорбционно связанная влага удерживается на развитой поверхности коллоидных структур за счет молекулярного силового поля. Она называется связанной (несвободной) и не участвует в растворении кристаллических веществ.
Осмотически удерживаемая влага задерживается в полостях высокомолекулярных частиц гелей. Высокомолекулярная оболочка частиц обладает свойствами полупроницаемых перегородок, удерживающих внутриклеточную влагу.
Содержание влаги в материале называется влажностью (W) и оценивается в процентах (частях) от массы влажного (W) или сухого (ξ) материала:
Если над влажным материалом находится влажный воздух, то со временем установится равновесие и обмен влагой между ними прекратится. Влажность материала в этом состоянии называется равновесной (Wр). Она является функцией парциального давления водяного пара в окружающей среде и заданной температуры.
Совокупность значений равновесной влажности при различных парциальных давлениях пара в воздухе или относительной его влажности называют изотермой сорбции влаги. Для большинства материалов равновесная влажность не зависит от температуры.
При помощи воздуха с определенной влажностью невозможно удалить из материала всю влагу. Удаляемая влага (Wуд) определяется выражением Wуд = W–Wр, характеризующим обобщенную силу процесса сушки.
При конвективной сушке влага перемещается от центра материала к поверхности, с которой она удаляется сушильным агентом – этот процесс называется диффузионным, его движущей силой является разность концентраций влаги на единице длины.
Влага, находящаяся в порах материала, и осмотическая влага мигрируют к поверхности в жидком виде, а адсорбционно связанная – в виде пара.
Диффузия влаги в материале осложняется тепловым воздействием. В сумме такой осложненный процесс называется термовлагопроводностью. Под влиянием теплоты влага перемещается в направлении теплового потока. Это перемещение называется термодиффузией. Оно вызывается уменьшением поверхностного натяжения с повышением температуры и влиянием «защемленного» воздуха, т.е. воздушных пузырьков в жидкости пор.
Процесс сушки
Процесс сушки включает нагревание сушильного агента и приведение его в соприкосновение с высушиваемым материалом в сушильной камере.
Процесс сушки происходит в три этапа:
1) перемещение влаги из глубины тела к поверхности (процесс влагопроводности);
2) парообразование на поверхности материала (процесс влагоотдачи);
3) перемещение пара в окружающем воздухе.
В начале сушки материал подогревается, и скорость массового потока удаляемой влаги возрастает от нуля до некоторой постоянной величины. В этот период удаляется влага, механически связанная с материалом (поверхностная и капиллярная).
Процесс продолжается. В этот период температура материала, покрытого влагой, равна температуре мокрого термометра. Во втором периоде скорость сушки (потери влаги материала) уменьшается. В этот период удаляется влага, более прочно связанная с материалом, в частности, адсорбированная.
В первом периоде сушки движущей силой процесса является разность давления насыщенного пара или давления в пограничном слое материала и парциального давления пара в окружающей среде (рн–рв). В этот период скорость диффузии не влияет на скорость сушки.
Во втором периоде сушки давление паров вблизи поверхности материала ниже равновесного, и определяющее влияние на скорость сушки оказывает диффузия влаги в нем. Движущей силой процесса в этот период можно считать разность фактического и равновесного влагосодержаний высушиваемого материала (W–W р).
Способы сушки
Способы сушки различаются организацией процесса обезвоживания материала и характеризуются использованием одного или нескольких процессов, определяющих всю специфику сушки.
Наиболее распространены следующие способы сушки:
Естественная – применяется в благоприятных климатических условиях и предусматривает раскладывание высушиваемых продуктов на специальных щитах или сетках на открытом воздухе.
Конвективная – использует вынужденное движение подогретого воздуха относительно слоя высушиваемого продукта. Скорость вынужденной конвекции 1...5 м/с .
Распылительная – использует быстрое испарение мелких капель распыляемого продукта в высокотемпературной среде. Большая площадь поверхности распыленного продукта обеспечивает большие суммарные тепловые потоки к нему и, как следствие, малое время сушки (1...10 с). В распылительных сушилках может преобладать один из двух видов теплопередачи – конвекция или радиация, хотя в общем случае они оба имеют место.
Вальцовая – это сушка высоковязких продуктов на металлических поверхностях. Процесс заключается в «намазывании» тонкого слоя высушиваемого продукта на поверхность цилиндрических подогретых вальцов. Этот слой высыхает за 40...60 с, после чего его тонкие сухие хлопья соскабливаются ножом.
Сушка вспененного продукта – производится в конвективном потоке воздуха на перфорированных металлических листах. Вспениванию способствует добавление вспенивающих присадок в миксере в атмосфере инертного газа.
Вакуумная сушка – осуществляется при пониженном давлении, что позволяет существенно снизить температуру высушиваемого материала.
Сублимационная сушка – это сушка, когда замороженная, т.е. в твердом состоянии, вода переходит в парообразное, минуя жидкое. Если при давлении менее 0,61 кПа лед нагревать в области отрицательных температур, вода из состояния льда будет переходить в пар, минуя жидкое состояние.
Эксплозионная или взрывная сушка отличается использованием явления теплового шока, который заключается во вскипании воды во всем ее объеме в результате резкого понижения давления в окружающей среде. При этом вода, содержащаяся в высушиваемом материале и подогретая до температуры, близкой к кипению, при понижении внешнего давления оказывается перегретой и вскипает. В результате внутренняя структура материала разрушается и становится как бы вспененной (воздушной). Такой материал легко высушивается. Эксплозия возможна как при переходе от повышенного давления к атмосферному (при этом начальная температура материала превышает 100 оС), так и при переходе от атмосферного давления к вакууму. Во втором случае процесс происходит при более низких температурах.
Сушка в кипящем слое сыпучего продукта и аэрофонтанная (пневматическая) – осуществляются при продувании воздуха сквозь слой сыпучего материала снизу вверх. В аэрофонтанных сушилках воздух подводится не по всей площади поперечного сечения сушилки, а по ее части. Кроме того, в них увеличивается скорость воздуха до 12…14 м/с , а в сушилках с кипящим слоем его скорость составляет 1…5 м/с. В результате картина течения воздуха через высушиваемый слой материала изменяется.
Терморадиационная сушка осуществляется нагревом продукта инфракрасными лучами и проходит в сушилках инфракрасного нагрева. Таким способом обычно сушат тонкие изделия (печенье, слои краски на поверхностях), в которые излучение проникает почти до середины их толщины, а в сушилках СВЧ нагрева – более «толстые» изделия, а также зерно. При таком нагревании процессы диффузии и термодиффузии влаги в процессе сушки материалов направлены в одну сторону, что ускоряет сушку в десятки раз.
Сушка с нагревом в поле токов высокой частоты осуществляется между двумя пластинами, к которым подводится ток высокой частоты. При этом молекулы высушиваемого материала колеблются, и материал нагревается по всей его толщине, но неравномерно, так как его температура уменьшается от центра к периферии. В результате складываются условия, когда градиенты температур и концентрации влаги в материале совпадают, что весьма существенно сокращает время сушки (например, для древесины – в 10 раз). Энергозатраты такой сушки велики: 2...5 кВтч на 1 кг испаряемой влаги, что в 3...4 раза выше энергозатрат конвективной сушки.
2.1.3.Виды сушилок, предлагаемых для расчета в курсовой работе
Для сушки пищевых материалов наиболее широко применяется конвективная сушка, в процессе которой происходит тепломассообмен между воздухом (сушильным агентом) и влажным материалом. Такой процесс сушки легче осуществить в туннельной сушилке.
| 5 |
| 4 |
| Рис. 6. Конструктивное устройство туннельной сушилки 1 – высушиваемый материал; 2 – вагонетка; 3 – калориферы; 4 – двигатель привода перекрытия каналов подачи воздуха на сушку; 5 – приточно-вытяжной канал |
| 3 |
| 2 |
| 1 |
| 3 |
| 4 |
| 5 |
| 2 |
| 1
|
| 9 |
| 5 |
| 6 |
| 7 |
| 8 |
| 10 10 |
| 1 |
| 3 |
| 2 |
| 4 |
Рис. 7. Противоточная туннельная сушилка
1, 10 – лафетные дорожки; 2 – вагончики; 3 – вентилятор; 4 – калорифер; 5 – вытяжная труба; 6 – толкатель; 7 – камеры сушилки;
8 – вентили для подвода пара; 9 – вентили для отвода пара.
По торцам камер для подачи и удаления вагонеток проложены лафетные дорожки (1) и (10). Каждый туннель имеет цепной толкатель (6). При закатывании в сушилку очередной вагонетки с сырым продуктом вся цепь вагонеток передвигается на расстояние, равное ее длине, и одна вагонетка с высушенным продуктом выталкивается из сушилки.
Вентилятор отбирает воздух из сушилки у второй вагонетки, загруженной сырым продуктом, просасывает его через калорифер и возвращает нагретый воздух в сушилку в месте расположения предпоследней вагонетки. Таким образом, в сушилке достигается противоточное перемещение продукта и теплого воздуха.
При начальной влажности сырого продукта около 2 % и максимальной температуре воздуха 85 °С длительность сушки составляет 7…8 ч. Повышение температуры греющего воздуха выше 85 °С недопустимо по технологическим соображениям.
Применяются также туннельные сушилки с поперечной циркуляцией воздуха. Они совмещают сушильную и охладительную части установки. При сушке продукта с большой начальной влажностью нагревание при атмосферном давлении чередуется с испарением влаги в вакууме.
Подогреватели изготавливаются из кирпича, железобетона или шлакобетона и покрываются изоляцией. В вакуум-камерах, изготовленных из листовой стали, при помощи конденсатора создается разрежение порядка 71…72 мм рт. ст. Вмещают они такое же количество вагонеток, как и подогреватели.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 445.
