книги / Процессы и аппараты химической технологии. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2

ла достигает максимального значения – температуры окружающей среды (температуры воздуха tв).

Кинетический закон для периода постоянной скорости сушки выражается уравнениями массоотдачи:

где W – количество испаренной влаги, кг; x , р – коэффициенты массоотдачи от поверхности материала в окружающую среду,

насыщенного воздуха при температуре поверхности материала,

соответственно у поверхности материала (в насыщенном состоянии) и в окружающем воздухе, Па; F – поверхность фазового контакта (поверхность испарения), м2; п – время сушки (про-

должительность периода постоянной скорости сушки), с. Коэффициент массоотдачи x , зависящий от толщины,

физических свойств и гидродинамического состояния пограничного слоя газа, находится экспериментально путем обобщения опытных данных критериальным уравнением вида:

где Nuд – диффузионный критерий Нуссельта; Re – критерий Рейнольдса; Prд – диффузионный критерий Прандтля; Gu – па-

раметрический критерий Гухмана; А, n – постоянные числа.

51

Для чисел Рейнольдса в пределах 0…70000 критериальное уравнение (3.3) имеет вид:

Для уравнений (3.3) и (3.4) диффузионный критерий Нуссельта, критерий Рейнольдса, диффузионный критерий Прандтля, параметрический критерий Гухмана определяются по следующим уравнениям:

где L – определяющий линейный размер, м; D – коэффициент диффузии водяных паров в воздухе, м2/c; w – скорость потока воздуха вдоль поверхности образца, м/с; – плотность воздуха, кг/м3; – динамическая вязкость воздуха, Н с/м2; tс – темпера-

тура воздуха в сушильной камере, С; tМТ – температура поверхности испарения высушиваемого материала (температура «мокрого» термометра), С.

Величины A и n в уравнении (3.3) зависят от критерия Re (табл. 3.1).

52

По критерию Нуссельта (3.5) находится коэффициент массоотдачи х.

Коэффициент массоотдачи р [кг/(ч м2 Па)] может быть определен также в зависимости от скорости потока сушильного агента над материалом:

р 10 4 (1,72 1,31 w).

Кинетический закон для периодов падающей скорости сушки не имеет точного математического выражения ввиду трудности учета большого числа факторов, влияющих на процесс. Поэтому аналитический расчет скорости для этих условий в применении к техническим задачам не проводится.

Описание лабораторной установки и ее работы

Внешний вид лабораторной установки показан на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Лабораторная установка для сушки

Схема установки (рис. 3.4) включает в себя тепловентилятор 1, сушильную камеру 3, электронные весы 9, термометр сопротивления 7 в комплекте с показывающим прибором 6, пирометр 8, психрометр 10 и ЭВМ 11.

53

Методика проведения опытов

Приступить к работе можно только после ознакомления с установкой.

Пуск установки производится с разрешения преподавателя в следующем порядке:

1.Проверить визуально исправность установки.

2.Включить в сеть питание тепловентилятора 1.

3.Включить в сеть питание измерителя ТРМ 200 6.

4.Включить в сеть питание пирометра 8.

5.Прогрев установки производить до тех пор, пока не стабилизируется температура в сушильной камере.

6.Включить в сеть питание весов 9, затем нажать кнопку On/ZEROOff. Повторным нажатием этой же кнопки сбросить показание весов.

7.Включить в работу компьютер 11.

8.С рабочего стола операционной системы компьютера двойнымнажатиемлевойклавишимышизапуститьпрограмму«Весы».

9.В программе «Весы» установить COM1 и время 60 с.

10.Взвесить сухой образец вместе с держателем. Затем увлажнить его, опустив в воду на определенное время. Увлажненный образец подвесить к рамке весов и зафиксировать начальный вес. Одновременно с этим в программе «Весы» нажать кнопку «Старт регистрации».

11.Нажать кнопку на рукоятке пирометра 8 для определения температуры поверхности образца и вручную производить запись ее значения через каждые 60 с.

12.Измерить температуры «сухого» и «мокрого» термометров для воздуха, всасываемого тепловентилятором.

13.Сушку и замеры продолжать до достижения образцом постоянного веса. По окончании опыта в программе «Весы» нажать кнопку «Стоп регистрации».

14.В программе «Весы» выбрать пункт меню «Файл» – «Экспорт данных» и произвести выгрузку данных в формате

55

Excel. Сохранить файл с данными на флеш-накопитель. Структура файла данных эксперимента имеет вид, представленный в табл. 3.2. Столбец «Температура образца» заполняется вручную.

Все измеренные величины занести в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Результаты проведенных опытов

Ф.И.О.

56

Обработка опытных данных

1. Построение кривых сушки и скорости сушки

1.1. Рассчитать для каждого i-го замера влажность высуши-

1.2. Определить изменение влажности (кг/кг) за установленный интервал времени замера (1 мин):

u ui ui 1.

1.3.Для каждого интервала времени 1 мин найти скорость сушки u / .

1.4.Полученные расчетные результаты занести в табл. 3.3.

1.5.Построить графики: кривую сушки u f ( ), кривую

скорости сушки u f (u) и кривую нагрева материала t f ( ).

Таблица 3.3 Результаты расчета для построения графиков

2. Расчет опытного значения коэффициента массоотдачи оп для периода постоянной скорости сушки

2.1. По графикам u f ( ), u f (u) определить период постоянной скорости сушки, т.е. uнач , uкон и нач, кон. На каж-

57

дом графике отметить периоды сушки. Найти продолжительность периода постоянной скорости п , с.

2.2.Рассчитать количество влаги W (кг), испаряемой из образца в течение этого периода.

2.3.По диаграмме Рамзина (прил. 2) найти влагосодержание

кг пара

окружающего воздуха x, кг сухого воздуха , зная температуры

«сухого» и «мокрого» термометров (точка В1, см. прил. 2, п. 1). 2.4. По диаграмме Рамзина определить температуру по-

верхности испарения высушиваемого материала tМТ ( С), т.е. температуру «мокрого» термометра в условиях сушильной камеры (см. прил. 2, п. 2), а по ней (на пересечении изотермы с кривой = 100 %) – влагосодержание насыщенного воздуха хн,

2.5.Рассчитать поверхность испарения F (м2), равную всей поверхности образца (с учетом боковых стенок, а также торцевых стенок по длинной и короткой боковым сторонам).

2.6.По уравнению (3.1) найти опытное значение коэффи-

циента массоотдачи оп.

3. Расчет теоретического значения коэффициента массоотдачи т

3.1. По уравнению расхода рассчитать скорость потока воздуха вдоль поверхности образца при рабочей температуре (м/с):

где Vв – расход воздуха, м3/с, Vв 0,785 d 2; d – диаметр сушильной камеры, м; tс – температура в сушильной камере, С; Sк – площадь поперечного сечения камеры; Sоб – поверхность нижней торцевой стенки образца, м2.

58

3.2. Вычислить плотность воздуха (кг/м3):

где 0 – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3,

0 1,29.

3.3. Определить динамическую вязкость воздуха (Н с/м2):

где 0 – динамическая вязкость воздуха при нормальных условиях, Н с/м2, 0 = 1,73 10–5; c – постоянная Сатерленда, c = 124.

3.4.По уравнению (3.6) рассчитать критерий Рейнольдса,

вкачестве определяющего линейного размера принять высоту образца.

3.5.Вычислить коэффициент молекулярной диффузии водяного пара в воздухе (м2/с):

где D0 – коэффициент молекулярной диффузии при нормаль-

ных условиях, м2/c, D0 = 2,19 10–5.

3.6.По уравнению (3.7) рассчитать диффузионный критерий Прандтля.

3.7.Из критериального уравнения (3.4) найти диффузионный критерий Нуссельта.

3.8.По критерию Нуссельта определить теоретический

коэффициент массоотдачи т и сравнить его с опытным значением оп.

59

4. Построение линии процесса действительной сушки

4.1. Определить удельный расход теплоты (кДж/кг):

qт I1 I0 , xн x

где I1 – энтальпия воздуха после нагрева в калорифере, кДж/кг сух. воздуха, определяется по диаграмме Рамзина (см. прил. 2); I0 – энтальпия воздуха до нагрева в калорифере, кДж, определяется по диаграмме Рамзина (см. прил. 2).

4.2.Определить удельные потери теплоты при сушке qпот , равные 5,5 % от удельного расхода теплоты qт, кДж/кг.

4.3.Определить удельную теплоту нагрева материала образца (кДж/кг):

qмат Gсух сматW tс tСТ ,

где Gсух – масса сухого образца (без держателя), кг; смат – удельная теплоемкость материала образца, кДж/(кг·К), смат 1,635; tс – температура в сушильной камере, С; tСТ – температура

«сухого» термометра для всасываемого воздуха, С.

4.4. Определить разность расходов теплоты для действительного и теоретического процессов сушки:

qмат qпот св tСТ,

где св – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·К), св 4,19. 4.5. Для произвольной величины влагосодержания возду-

ха x1, находящейся в промежутке x; xн , определить значение энтальпии:

I I1 (x1 1).

60