|
|
Этапы расчёта сушки топочными газами
Отличительная особенность рассматриваемого ниже аналитического расчета состоит в использовании абсолютных энтальпий Ниже представлен расчет по этапам — соответственно табл. 11.1. 1. Определение удельного теоретического количества воздуха на сжигание 1 кг топлива. В состав топлива входят различные химические элементы и компоненты; они перечислены ниже (перечень, разумеется, можно дополнить). При этом под химическими и другими символами понимается не только качественное указание на присутствие данного элемента (компонента) в топливе, но и его содержание в расчете на 1 кг топлива. Например, символ
где Реакция сгорания углерода:
Подобный расчет для водорода:
Точно так же для серы:
Аналогично могут быть записаны удельные расходы кислорода для других химических элементов, если они содержатся в топливе и сгорают в кислороде. Азот топлива не горит, он переходит в топочные газы в виде молекул Полный удельный расход кислорода воздуха на сжигание 1 кг топлива запишется:
причем вычитаемое В воздухе (в расчете на абсолютно сухой) содержится 23,2% (масс.) кислорода, т.е. 0,232 кг О/кг АСВ. Следовательно, теоретический удельный расход сухого воздуха (теор.В) на сжигание 1 кг топлива составит:
2. Определение удельного количества первичного воздуха. Чтобы гарантировать полное сгорание топлива, первичный воздух (перв.В) надо подавать в топку в количестве В топках котельных установок, где в высокотемпературных ( Массовый удельный поток влажных топочных газов на выходе из топки есть сумма первичного воздуха с учетом внесенной им влаги При составлении теплового баланса топки наряду с Приходами и Уходами теплоты будем учитывать и ее Источник — теплотворную способность топлива В качестве пространственного контура выбирается топка (контур ТК на рис. 11.37). Тогда в расчете на 1 кг топлива
Здесь первое слагаемое — Приход теплоты с первичным воздухом, второе — Приход ее с самим топливом при температуре В ходе осуществления процесса в топочной камере есть потери теплоты: в окружающую среду, с химическим недожогом (от неполноты сгорания топлива), с механическим недожогом (провал несгоревших частиц топлива вместе с золой при сжигании твердого топлива). Эти потери можно оценить для единицы времени, но затруднительно в расчете на 1 кг топлива. Поэтому величина Выражение (д) нетрудно разрешить относительно
Величину
Величину Для последующего анализа удобно отдельно записать удельный поток теплоты, уносимой из топки топочными газами:
3. Определение удельного количества вторичного воздуха. Составим тепловой баланс для камеры смешения (контур КС на рис. 11.37) в расчете на 1 кг топлива, имея в виду, что из контура уходит сумма потоков поступивших в него газа из топки
Здесь КПД камеры смешения Раскрывая квадратные скобки и решая балансовое соотношение (ж) относительно
Величину В последующем анализе придется оперировать удельным потоком теплоты, вносимой с сушильным агентом в сушильную камеру. Соответственно (ж):
4. Определение расхода топлива. Составим тепловой баланс для сушильной камеры (контур СК на рис. 11.37) — теперь применительно к единице времени. В этом случае Приход теплоты с потоком СА запишется как произведение
Здесь второе и третье слагаемые — Приход и Уход теплоты с исходным и высушенным материалом соответственно (расчет относительных теплоемкостей Из баланса (и) найдем расход топлива в единицу времени, раскрыв смысл
5. Потоки (расходы) первичного и вторичного воздуха. Расходы первичного И вторичного воздуха определяются очевидными соотношениями:
Для подбора вентиляторов и расчета некоторых типов расходомеров необходимы объемные расходы газовых потоков
При этом определение — количество влаги: внесенной с исходным воздухом — удельный расход абсолютно сухого воздуха Тогда
Расчет Попытка проведения аналитического (или графоаналитического) расчета на основе относительных энтальпий
11.8 Кинетика сушки
11.8.1 Общие сведения
В предыдущих разделах рассмотрена статика сушки. Проблемы скорости и продолжительности высушивания, составляющие предмет кинетики процесса, пока не затрагивались. Между тем владение кинетикой необходимо при решении практических задач. Скажем, в задаче эксплуатации необходимо установить значения выходных влажностей
Рис. 11.39. Кривая сушки (внутри графика — иллюстрация прогрева высушиваемого материала в начальные моменты времени)
Скорость процесса сушки зависит от множества факторов: природы высушиваемого материала и влаги (в общем случае — и сушильного агента), температуры, скорости движения СА над поверхностью высушиваемого материала, его размеров и формы, а также внутренней структуры и диапазона влажности. Как указано в разд. 11.2.5, в высушиваемом материале в общем случае содержится свободная и связанная влага. Удаление влаги различных форм имеет свои особенности, которые выявляются при построении кинетических кривых процесса. Кривая сушки представляет собой зависимость изменяющейся относительной влажности материала
Рис. 11.40. Кривая скорости сушки
Эксперимент и анализ явлений показывает, что в I периоде скорость удаления влаги из материала такая же, как и испарения со свободно разлитой на поверхности — в тех же условиях (в частности, при одинаковых поверхностях контакта ТМ и СА). Это означает, что в I периоде удаляется свободная влага. На этом участке кривые сушки в одинаковых условиях совпадают для разных материалов. Во II периоде удаляется связанная влага. Форма кривой сушки для этого периода зависит от природы материала; общим является лишь асимптотическое стремление к Более наглядными являются кривые скорости сушки. Под скоростью сушки понимается количество влаги, удаляемой в единицу времени с единицы поверхности контакта: Сложность кинетических расчетов сушильных процессов обусловлена сложностью наблюдаемых явлений: внутренняя миграция влаги в материале, диффузия ее с поверхности в поток сушильного агента, сопутствующие физико-химические превращения (дегидратация, преодоление капиллярных сил, фазовые переходы), одновременное протекание теплопереноса, поведение единичного зерна в массе высушиваемых зерен. По этой причине до настоящего времени сохраняет свое значение экспериментальное изучение сушильных процессов. Однако по мере проникновения в физическую сущность процесса возрастает роль теоретических построений. Они позволяют: — грамотно поставить эксперимент; — судить о механизме процесса, построить его физическую модель; — в отдельных (достаточно простых) случаях — математически описать и рассчитать процесс сушки. Кинетические расчеты сушильных процессов строят и проводят на основе общих положений. Согласно этим положениям, в отсутствие химических превращений процесс конвективной сушки (десорбции влаги) включает четыре стадии: — подвод влаги в зону сушки с влажным материалом; — диффузия влаги внутри ТМ из его внутренних областей к поверхности контакта с СА; — диффузия влаги с поверхности ТМ в поток (в объем) сушильного агента; — вывод влаги из рабочей (сушильной) зоны с сушильным агентом. Результирующая скорость сушки зависит от интенсивности каждой из этих стадий. Однако, если скорость на какой-либо одной из стадий значительно меньше, чем на остальных (иначе: продолжительность данной стадии значительно больше), то эта медленная стадия является лимитирующей. В таком случае расчету подлежит только эта стадия процесса, так как остальные в сравнении с ней протекают практически мгновенно. Если в качестве лимитирующей стадии выступает диффузия влаги от поверхности ТМ в поток СА, то говорят о сушке в условиях внешней задачи, если диффузия влаги внутри ТМ — то о сушке в условиях внутренней задачи. Если лимитирует подвод влаги в рабочую зону с твердым материалом, то речь идет о сушке в условиях потоковой задачи по ТМ, если отвод влаги из этой зоны с сушильным агентом, — то о сушке в условиях потоковой задачи по СА. При сопоставимости скоростей хотя бы двух каких-либо медленных стадий задача именуется смешанной, ее расчет усложняется.
Рис. 11.41. Принципиальная схема сушильной установки с псевдоожиженным слоем высушиваемого материала: 1 — корпус аппарата, 2 — газораспределительная решетка; I, II — входящий и выходящий потоки сушильного агента, III, IV — входящий и выходящий потоки высушиваемого материала, V — псевдоожиженный слой
Далее последовательно рассматриваются процессы сушки при наличии отдельных лимитирующих стадий. При этом принимается, что подвод теплоты не лимитирует процесса, так как происходит быстрее переноса влаги (иначе: подвод теплоты в соответствии с расчетами статики процесса достаточен для осуществления сушки). В качестве объекта последующего анализа принят непрерывный процесс сушки в псевдоожиженном слое высушиваемого материала, поскольку эта система достаточно показательна: — имеет большое распространение в химической технологии и ряде других отраслей промышленности; — очень удобна в методическом отношении своей простотой, наглядностью и возможностью довести анализ до расчетных выражений. В ходе изложения будут затронуты и некоторые общие моменты, выходящие за пределы специфики псевдоожиженных систем. Принципиальная схема сушилки с псевдоожиженным слоем (ПС) представлена на рис. 11.41. В аппарат 1 с зернистым материалом непрерывно через газораспределительную решетку 2 подается горячий сушильный агент (его расход При наличии любой лимитирующей стадии и в ее отсутствие остается справедливым выражение, получаемое совмещением соотношений (11.5) и (11.6):
и совпадающее с уравнениями материального баланса.
  Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...  Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...  Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
газов вместо относительных 
, принятых в предыдущих разделах главы. Иными словами, тепловые потоки будут выражены произведениями абсолютных массовых потоков (не кг АСВ/с, а кг вл.Г/с) на энтальпию газа 
, где 
— теплоемкость газа при температуре 
. Эта теплоемкость приводится в справочной литературе; она мало зависит от состава топочных газов и близка к теплоемкости воздуха, поскольку в составе этих газов и воздуха превалирует азот. Однако она заметно изменяется с температурой (напомним, что в предыдущих разделах влияние температуры на теплоемкость воздуха принималось несущественным), так как здесь речь идет об изменениях температуры в очень широких диапазонах (сотни градусов).
обозначает содержание углерода в топливе в кг С/кг топл. Тогда сумма всех элементов и компонентов топлива равна 1 (кг топл.):
(11.22)
— содержание золы в топливе (оно равно нулю, если топливо — газ, невелико — если жидкость, и может быть значительным в случае твердого топлива), 
— влажность топлива; индекс "рб" означает "в расчете на 1 кг рабочего топлива", т.е. включающего золу и влагу.
; на 12 кг С требуется 32 кг 
, значит, удельный расход кислорода на 1 кг углерода составляет 32/12 = 2,67 кг О/кг С. При концентрации углерода в топливе С (кг С/кг топл.) получим расход кислорода на сжигание всего углерода в 1 кг топлива:
(а)
; на 4 кг Н требуется 32 кг 
(б)
; на 32 кг S уходит 32 кг 
(в)
. Вода топлива дает водяные пары. Зола, если она присутствует в топливе, как правило, состоит из негорючих соединений, так что на ее сгорание кислорода не требуется (если в золе есть горючие компоненты, то для них надо будет записать реакции горения и подсчитать потребное количество кислорода).
(г)
учитывает, что на связывание горючих элементов топлива в оксиды будет использовано и то небольшое количество свободного кислорода, которое содержится в некоторых топливах; это несколько уменьшает потребность в кислороде воздуха.
(11.23)
, несколько превышающем теоретическое. Отношение 
называется коэффициентом избытка воздуха в топке.
1500 ºС) радиантных зонах получают перегретый пар, величина 
обычно незначительно превышает 1 (находится в пределах 1,05-1,15). В индивидуальных топках для сушильных установок нет необходимости в столь высоких температурах, здесь можно подать на сгорание больше холодного первичного воздуха; важно только, чтобы температура 
обеспечивала полноту сгорания топлива. Поэтому избыток воздуха (холодного!) здесь больше: 
.
и той части топлива 
, которая в результате его сгорания перешла в газовую фазу: 
. Очевидно, при использовании газообразного топлива 
, жидкого — 
).
(она приводится в справочниках для топлив различных месторождений или подсчитывается по элементарному составу топлива и теплотам сгорания элементов).
(д)
. Третье слагаемое — Уход (знак "минус") теплоты с золой, если она присутствует в топливе, причем температура уходящей золы 
обычно близка к температуре в топке (и на выходе из нее) 
. Основная составляющая Ухода теплоты (с топочными газами) — величина, содержащая квадратные скобки. Символы 
берется с множителем 
, называемым коэффициентом полезного действия топки. Из практики работы топок для сушильных установок 
. Таким образом, произведение 
представляет собой часть источника теплоты 
, раскрыв квадратные скобки:
(11.24)
(11.25)
можно найти и сразу, перенеся 
из знаменателя (11.24) в левую часть этого равенства. Тем не менее, во избежание технических ошибок при вычислениях, рекомендуется все же сначала определить 
(е)
и вторичного воздуха 
(ж)
учитывает неполноту использования поступающего из топки теплового потока 
в результате потерь в окружающую среду. В камере смешения температура ниже, чем в топке, и нет теплопотерь с недожогом; поэтому 
получаем:
(11.26)
определяют, предварительно приняв (исходя из свойств высушиваемого материала и других технологических соображений) температуру 
на входе СА в сушильную камеру.
. Итак, с учетом теплопотерь в окружающую среду 
и с транспортными приспособлениями 
(и)
— см. разд. 11.2.3). Четвертое слагаемое — Уход теплоты с отработанным сушильным агентом. Важно: в это слагаемое не включен поток теплоты с водяными парами, выделившимися из ТМ при его высушивании и присоединяющимися к отработанному СА. Эта теплота учтена пятым слагаемым, где 
— энтальпия водяных паров при температуре 
(способ расчета 
по (з):
(11.27)
и 
(11.28)
. Их нетрудно найти, располагая массовыми потоками 
, предварительно рассчитав относительные удельные объемы 
(11.29)
для расчета объемных потоков первичного и вторичного воздуха затруднений не вызывает (см. разд. 11.2.2), так как 
и 
— известны. Для определения 
на выходе из установки (именно там чаще всего ставят вентилятор) необходимо специально найти влагосодержание 
отработанного СА. Для этой цели следует выразить в расчете на 1 кг топлива:
образовавшейся при сгорании топлива 
; содержащейся в исходном топливе 
удаленной из высушиваемого материала 
;
и сухой части газов, образовавшихся из топлива, 
(к)
ведется по номограмме (рис. 11.16), а если значения 
и 
выходят за пределы шкал номограммы, то по формуле (11.2).
вместо абсолютных 
приводит на этапе расчета топки к получению нелинейных связей 
, 
. Для расчета этих величин требуются итерационные процедуры либо выражение относительной энтальпии на выходе из топки 
и др.) и абсолютных 
энтальпий представляется непоследовательным в методическом отношении и потому здесь не приводится.
для ТМ — при изложении статики они считались известными, тогда как на самом деле зависят от кинетических характеристик процесса, например от величины 
. А в задачах проектирования для непрерывных процессов часто необходимо найти поверхность контакта F, обеспечивающую проведение процесса с заданной производительностью до обусловленной выходной влажности ТМ.
во времени 
в процессе сушки (рис. 11.39). Эта кривая снимается экспериментально при постоянной температуре. (Заметим: ранее такой эксперимент был практически единственным способом определения продолжительности сушки.) Сначала влага удаляется равномерно во времени, т.е. с постоянной скоростью, — говорят о сушке в I периоде (или в периоде постоянной скорости). На кривой этому периоду отвечает прямолинейный участок — от точки с начальной концентрацией 
до точки с критической влажностью 
. Далее влага удаляется медленнее — говорят о II периоде сушки (или о периоде падающей скорости), когда с течением времени влажность материала асимптотически приближается к равновесной (с влагосодержанием СА) величине 
. Строго говоря, на небольшом начальном участке кривой сушки первоначально скорость удаления влаги меньше, нежели в I периоде (этот участок указан стрелкой на внутреннем графике рис. 11.39). Это объясняется существованием непродолжительной стадии прогрева высушиваемого материала, далее сушка идет в типичных I и II периодах.
(знак "минус" обусловлен тем, что 
). Кривая скорости сушки, построенная при известной поверхности контакта по данным кривой сушки, представлена на рис. 11.40. Первому периоду здесь соответствует горизонтальный участок в диапазоне 
(эффект прогрева материала на начальной стадии сушки изображен жирной штриховой линией и указан стрелкой). Скорость удаления влаги в этом периоде отвечает интенсивности теплоподвода. Температура высушиваемого материала в пределе (и в идеале) может достигать температуры мокрого термометра. Во II периоде кривые скорости сушки в зависимости от свойств материала (в общем случае — и влаги) могут идти различно (на рисунке — различные линии при 
). Здесь возможны перегибы и даже изломы, отвечающие, например, различной степени гидратации (числу молекул кристаллизационной влаги). Общим является устремление этих линий к абсциссе 
) с исходным влагосодержанием 
, псевдоожижая зернистый материал. Увлажненный СА уходит из аппарата с влагосодержанием 
) входит в аппарат с влажностью 
и выходит с влажностью 
, поперечное сечение — 
; масса ТМ в аппарате (в расчете на абсолютно сухую часть) 
и отвечающая ей поверхность межфазного контакта 
— постоянны. Порозность ПС в рабочих условиях составляет 
, размер твердых частиц (в целях упрощения анализа они приняты сферическими и одинаковыми) равен 
. Сушильный агент движется через слой в режиме идеального вытеснения, так что его влагосодержание изменяется в слое по вертикальной координате 
. Псевдоожиженный ТМ находится практически в состоянии идеального перемешивания, и потому его влажность по объему слоя одинакова и равна влажности выходящего высушенного материала 
(11.30)