ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Результатом расчёт теплового баланса является определение расхода греющего пара. Д.б. известны: весовые содержания летучего компонента (, , ); из материального баланса (, , ); температуры кипения (, , ).

Определяются теплоёмкости компонентов и ; скрытая теплота парообразования и . Выбирается флегмавое число как: . Находится энтальпия пара и энтальпия конденсата (, ).

.

- теплота, поступающая с исходной смесью;

- теплота, поступающая с греющим паром;

- теплота, поступающая с флегмой;

- теплота уходящая из колонны с флегмой;

- теплота уходящая из колонны с кубовым остатком;

- потери в окружающую среду.

,

где - закон аддитивности;

- температура кипения смеси (определяется по таблице).

.

,

где ;

- определяется по таблице.

,

где .

.

Потери в окружающую среду можно определить 2-я способами:

1. ;

2. По полному сечению.

РАСХОД ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ В ДЕФЛЕГМАТОРЕ

,

где и - задаются.

Для конденсатора-холодильника:

.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

- высота куба-нагревателя;

- высота тарельчатой части;

- высота сепарационного пространства.

.

При этом ,

где - расстояние между тарелками.

Есть стандартный ряд , мм: 200, 250, 300, 350, 400, 500 и т.д.

Чем больше , тем лучше идёт процесс ректификации, но это увеличивает высоту колонны и затраты на капитальное строительство колонны.

Величина принимается в диапазоне м.

определяется так, что расстояние от зеркала жидкости в кубе-нагревателе до нижней тарелки должна быть м.

По объёму куб-нагреватель должен быть таким, чтобы в нём помещались нагревательные трубы, а жидкости должно хватать на минут работы колонны.

Общая высота колонны (для смеси спирт-вода) метров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

,

где - секундный объём паров, движущихся по колонне, м/с;

- рабочая скорость, ;

- определяется из графика;

.

По найденному значению диаметра из каталога выбирается ближайший больший.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТАРЕЛКИ

,

где - сопротивление сухой тарелки,

;

- перепад давления, который обусловлен силами поверхностного натяжения жидкости,

,

где - коэффициент поверхностного натяжения;

- высота прорези, мм;

- ширина прорези, мм.

- изменение статического давления за счёт трения в прорезях колпачка.

- изменение статического давления за счёт уровня жидкости над прорезью колпачков.

,

где - высота жидкости над прорезью колпачка, мм;

.

КОНСТРУКЦИИ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

1. Тарельчатые;

2. Насадочные;

3. Роторные.

ПРИМЕР РАСЧЁТА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ (ФРАГМЕНТ)

Определить число тарелок для разделения смеси и от начальной концентрации низкокипящего компонент до конечной концентрации . В кубовом остатке .

Из литературы по данным смеси - выбирается упругость паров каждого компонента.

Т, 0С	Ра(CS2), мм рт.ст.	Рв(CCl4), мм рт.ст.
40	617	215
45	726	262
50	855	316
55	1001	376
60	1169	449
65	1348	535
70	1561	622
75	1793	727
80	2033	843

Р=760 мм рт.ст. - давление при нормальных условиях.

Т, 0С	Содержание CS2 в жидкой фазе.	Содержание CS2 в парах.
40
45	(1,073)	(1,025)
50	0,823	0,926
55	0,614	0,809
60	0,432	0,664
65	0,277	0,491
70	0,147	0,302
75	0,031	0,073
80	(-0,07)	(-0,187)

Далее пересчитывается весовая доля в мольную, т.е. в .

Строится равновесная диаграмма по последней таблице и определяется теоретическое и действительное число тарелок.

СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

При обезвоживании в материале могут происходит происходить структурно-механические, реалагоческие, биологические, биохимические процессы, способствующие повышению прочности материала (дерево, кирпич), увеличению теплоты сгорания (уголь, торф), уменьшению массы и объёма материала, удлинению сроков хранения.

Среди существующих методов выделяют физико-химический, механический и тепловой.

Физико-химический - удаление влаги путём соприкосновения материала с гигроскопическими веществами (хлористый кальций, селикогель). Этот метод используется в малогабаритных производствах или в лабораторных условиях.

Механический - процесс разделения системы жидкость - твёрдое тело происходит под действием механических сил (давление, гравитационные, центробежные).

Тепловой - удаление влаги с подводом теплоты.

Механическое обезвоживание - разделение гетерогенных систем или суспензий до влажности .

Для этого (для разделения суспензий) по способу создания и движущей силы процессы делят на 4 группы:

1. Отстойник.

2. Вакуум-фильтры (перепад давления от 0,02 до 0,07 МПа).

3. Отстойные или фильтрующие центрифуги (перепад давления от 0,1 до 0,3 МПа).

4. Фильтры, работающие под давлением до 1 МПа.

Сушка - совокупность тепловых и массообменных процессов, происходящих внутри влажного материала (внутренняя задача сушки) и за пределами поверхности (внешняя задача сушки). Знание свойств сушки материала позволяет выбрать рациональный метод и режим сушки.

Все сушильные материалы классифицируют:

1. Капиллярно-пористые;

2. Коллоидные;

3. Капиллярно-пористые коллоидные.

1-ая группа: при обезвоживании почти не изменяют свои размеры, при глубоком обезвоживании и механическом воздействии они могут быть превращены в дисперсные материалы (обожжённые керамические материалы, активированный уголь, песок).

2-ая группа: при изменении содержания в них влаги существенно изменяют геометрические размеры, сохраняя эластичные свойства (желатин, мучное тесто).

3-ья группа: эластичны, способны к набуханию при увлажнении и усыхании при обезвоживании. Большинство влажных материалов относятся к этой группе (торф, ткани, кожа, древесина).

Свойства влажных материалов, а также скорость процессов переноса в них зависят от форм связи влаги с материалом.

Согласно классификации, в основу положена энергия связи влаги с материалом, выделяют по порядку убывания энергии связи три формы: химическую, физико-химическую, физико-механическую.

Адсорбционная влага - это влага адсорбционного пара из окружающей поверхностью в порах, пустотах, капиллярах составляющих скелет вещества.

Осмотическая влага - это влага за счёт осмотического давления, вызывающая избирательную диффузию влаги из окружающей среды через полупроницаемую оболочку.

Микрокапилляры - в них длина свободного пробега молекул много меньше диаметра капилляра.

Существует 2 вида сушки:

1. Естественная - за счёт тепла естественного окружающего воздуха, требующая больших площадей, длительности времен и зависит от атмосферного воздействия и времени года.

2. Искусственная - происходит в специальных камерах с подачей в них сушильного агента, который забирает влагу из материала. В качестве сушильного агента используют воздух, смесь дымовых газов с воздухом, пар (в т.ч. перегретый) и минеральные масла.

В зависимости от способа подвода теплоты различают следующие сушильные установки:

1. Конвективные;

2. Кондуктивные;

3. Терморадиационные;

4. Электромагнитные;

5. Комбинированные.

Испарение влаги создаёт перепад влагосодержания между внутренними и поверхностными слоями, что вызывает непрерывное движение влаги в направлении поверхности.

Количество влаги можно определить из уравнения:

, ,

где - поверхность испарения; - время; - барометрическое давление в мм рт. ст.; - коэффициент испарения, зависящий от скорости воздуха; - давление насыщенного пара у поверхности материала; - парциальное давление паров в воздухе, которые омывают поверхность.

Свободная поверхность - та поверхность смачивания, которая позволяет влаге, находится на её поверхности.

При испарении жидкости со свободной поверхности определяется коэффициент теплоотдача:

,

где , где и - температуры сухого и мокрого термометров.

Если , то .

Соотношение между влажность и массой пара.

Существует 2 понятия влажности материала:

1. На общую массу - , в пределах ;

2. На сухую массу - , в пределах .

Из материального баланса следует: ,

где - количество влаги, испарённой со свободной поверхности;

- влага в материале до сушки;

- влага в материале после сушки.

.

Обычно задаются: , , либо .

;

;

;

;

;

;

;

Количество воздуха и тепла, идущего на испарение влаги:

;

.

Если обозначить

, тогда

- удельный расход воздуха на кг испарённой жидкости.

.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС СУШКИ

Теоретической сушилкой называется воображаемая сушилка, в которой происходит предварительный нагрев сушильного агента в выносном подогревателе, в котором нет потерь в окружающую среду, потерь с материалом, с транспортными установками, а температура материала равна 0⁰С.

- теплота выносного подогревателя.

,

Т.к. ,

где - теплосодержание.

АВ - процесс подогрева в выносном подогревателе;

ВС - процесс сушки.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ВОЗДУХЕ С ПАРОВЫМ ПОДОГРЕВАТЕЛЕМ

В расходную часть теплового баланса входят следующие параметры:

.

- тепло, полезно используемое и идущее на испарение влаги из материала.

,

;

, или , .

- потеря теплоты с уходящим сушильным агентом.

или

, или , .

Для воздуха при н.у. .

- потери материала с материалом.

,

где - температура материала,

,

Если противоток: и ;

Если прямоток: и .

- потери тепла с транспортом.

,

,

- суммарный вес металла и дерева.

Если противоток: и ;

Если прямоток: и .

- потеря теплоты в окружающую среду.

,

где - поверхность аппарата,

- температура между поверхностью аппарата и окружающим воздухом.

Обычно принимаю 10…15% от суммы всех других потерь.

В приходную часть теплового баланса включают и .

КПД сушильной камеры:

КПД сушильной установки:

.

- потери тепла в окружающую среду с конденсатом.

,

;

,

,

.

ВНУТРЕННИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СУШИЛЬНОЙ КАМЕРЫ (БЕЗ УЧЁТА ВОЗДУХА, КАК ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ)

Приход: .

Расход: .

Обозначим через разность между приходом и расходом.

, тогда .

Разность может иметь 3 случая:

1. , , значит .

2. , или , т.е. .

3. , , т.е. .

- линия сушки для случая .

- линия сушки для случая .

- линия сушки для случая .

ОСНОВНЫЕ ПЕРИОДЫ ПРОЦЕССА СУШКИ

- относительная влажность;

- критическая влажность;

- гигроскопическая влажность;

- равновесная влажность;

- период подогрева;

- период постоянной скорости сушки;

- период падающей скорости сушки.

Скорость сушки - изменение относительной влажности во времени.

т. (как и т.) - называется критической (), т.к. при сушке влажность внутренних слоёв больше чем на поверхности. зависит от толщины материала, от режима сушки, от скорости и параметров сушильного агента.

Период соответствует удалению свободной влаги; соответствует удалению связанной влаги.

Равновесная влага материала является функцией относительной влажности и температуры воздуха, она соответствует и называется гигроскопической. Если - называется равновесной, при этом парциальное давление водяного пара над материалом находится в равновесии с парциальным давлением пара окружающего воздуха.

т. (как и т.) соответствуют началу удаления из материала связанной влаги и поэтому называются критическими.

СУШКА МАТЕРИАЛА ТОПОЧНЫМИ ГАЗАМИ

Количество сухого газа при сжигании твёрдого топлива:

, .

- теоретический расход воздуха.

Количество сухого газа при сжигании газообразного топлива:

.

Количество водяного пара при сжигании твёрдого топлива:

.

Количество водяного пара при сжигании газообразного топлива:

.

Влагосодержание:

, .

Теплосодержание:

.

В тепловом балансе дополнительно вводят параметр :

- характеризует потери тепла на испарение влаги топлива.

КЛАССИФИКАЦИЯ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ИХ КОНСТРУКЦИИ

В зависимости от способа передачи теплоты сушильные установки делят:

§ конвективные;

§ контактные;

§ терморадиационные;

§ сублимационные (сушка под вакуумом);

§ сушка ТВЧ;

§ комбинированные.

По видам конструкции:

1. Конвективные;

§ камерные;

§ коридорные (туннельные);

§ ленточные;

§ конвейерные;

§ пневматические;

§ шахматные;

§ барабанные;

§ распылительные;

§ с кипящим слоем.

2. Контактные;

§ вальцовочные;

§ цилиндрические.

По давлению:

§ атмосферные;

§ вакуумные.

По направлению движения сушильного агента:

§ прямоточные;

§ противоточные;

§ смешанного тока;

§ реверсивного тока.

По виду сушильного агента:

§ воздух;

§ смесь воздуха и дымовых газов;

§ пар;

§ минеральные масла.

Конструкции:

1. Камерные сушилки;

2. Коридорного типа (туннельные);

3. Ленточные сушильные камеры;

4. Конвейерная сушильная камера;

5. Пневматическая;

6. Ленточная;

7. Терморадиационная;

8. Барабанная;

9. Сушилка с кипящим слоем;

10. Вибросушилка;

11. Контактные сушилки:

§ Вальцовые;

§ Цилиндрические.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ (ХУ)

Холодильные установки подразделяются на 2 группы:

§ Холодильные установки, где холод получают за счёт затрат электроэнергии (компрессионные холодильные установки);

§ Холодильные установки, где холод получают за счёт тепловой энергии (абсорбционные и пароэжекторные холодильные установки).

Компрессионные холодильные установки в своём цикле имеют 2 теплоносителя. Тот, что работает в цикле, называется хладоагентом, а тот, что работает в помещении (в испарителе), называется хладоноситель.

В зависимости от температуры кипения хладоагенты делятся на 3 группы:

1. С высокой температурой кипения ();

2. Со средней температурой кипения ();

3. С низкой температурой кипения ().

Давление в аппаратах должно быть выше атмосферного для исключения подсосов воздуха.

Рассмотрим идеальный цикл компрессионной холодильной установки.

Работа компрессора обозначена эквивалентом площади: . Хладопроизводительность обозначена площадью: и обозначена .

В качестве показателя энергетической эффективности компрессионной холодильной установки служит холодильный коэффициент:

.

Цикл холодильной установки на воздухе.

.

для воздуха меньше для цикла Карно.

Теоретический цикл действительной холодильной установки.

и .

По сравнению с циклом Карно в действительной холодильной установке уменьшается хладопроизводительность.

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА

Работа на сухом паре.

1. Переохлаждение конденсата.

2. Многоступенчатое сжатие.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Для хладоагентов в холодильной установке устанавливаются определённые требования:

§ Низкое давление конденсации (уменьшает вес компрессора);

§ Давление в испарителе д.б. больше атмосферного (с тем чтобы не было присосов воздуха);

§ Необходимо добиваться наибольшей массовой холодопроизводительности ();

§ Малый удельный объём пара;

§ Невысокая вязкость (для уменьшения гидравлических потерь);

§ Взрывобезопасность, не горючесть, не токсичность, химическая стабильность, коррозионная пассивность, не дефицитность, низкая стоимость.

Этим условиям удовлетворяют: аммиак, углекислота (СО₂), сернистый ангидрид (SO₃), хлорметил (CH₃Cl).

Если хладоагентом является аммиак и помещение, где поддерживается холод, то аммиак можно использовать в трубах проходящих через помещение. Если камер много, то аммиак подаётся в теплообменник и в нём охлаждается хладоносителем. Хладоноситель чаще всего это раствор поваренной соли (NaCl). NaClзамерзает при температуре -21⁰С, если его концентрация в воде 22,4%. В отдельных случаях можно использовать раствор CaCl₂, который замерзает при температуре -55⁰С с концентрацией 29,9%. Промежуточное рабочее тело охлаждается в испарителе, где хладоагент аммиак движется в межтрубном пространстве, а в трубах движется хладоноситель (рассол).

КОМПРЕССОР

Они выбираются по холодопроизводительности и бывают поршневые и турбокомпрессоры.

По хладоагенту компрессоры подразделяются на аммиачные, фреоновые, углекислотные.

По числу ступеней сжатия компрессоры м.б. одноступенчатые, 2-х ступенчатые, 4-х и т.д.

По рабочей полости цилиндра м.б. 2-х типов: простого действия (П) и двойного действия (Д).

По расположению осей: Г - горизонтальные, В - вертикальные, V - образные.

По числу цилиндров: одноцилиндровые, двухцилиндровые, 4-х, 6-и и т.д.

По холодопроизводительности: если Вт, то используются вертикальные прямоточные или V - образные прямого действия (VП); если Вт, то используются горизонтальные двойного действия (ГД).

МАСЛООТДЕЛИТЕЛЬ

Он устанавливается после компрессора и выбирается по диаметру выходного патрубка компрессора.

КОНДЕНСАТОР

В качестве него используют обычно 2 вида теплообменников: кожухотрубные, плёночные.

Они д.б. одноходовые или многоходовые. Обычно по трубам течёт охлаждающая вода, а в межтрубном пространстве движется аммиак.

Разность температур между теплоносителями .

РЕССИВЕР

Он служит для сбора жидкого аммиака. Его рассчитывают, определяя его объём. Расчёт ведётся на получасовую работу установки с запасом 20% к объёму. Рессивер обычно имеет вид цилиндра.

ПЕРЕОХЛАДИТЕЛЬ

Обычно кожухотрубный теплообменник. При его расчёте определяют поверхность теплообмена из уравнения теплопередачи.

ОТДЕЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ

Его назначение - выделит жидкую фазу и создать сухой пар для работы компрессоров. Отделитель подбирают по диаметру всасывающего патрубка компрессора.

ИСПАРИТЕЛЬ

Он имеет 2 потока теплоносителей: хладоноситель и хладоагент.

Бывают испарители 3-х типов: змеевикого типа, кожухотрубного, секционного.

РАСЧЁТ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Дано: Холодопроизводительность , температура охлаждаемого помещения, средняя температура охлаждающей воды.

Принимаем: Температуру охлаждаемого помещения 0⁰С, температуру охлаждающей воды , перепад температур между теплоносителями в испарителе 5⁰С, тогда температура рассола .

Температура аммиака в испарителе: .

По температуре из таблиц или диаграммы аммиака находят давление в испарителе .

Определяем температуру конденсации: .

По температуре из таблиц или диаграммы аммиака находят давление .

1. Холодопроизводительность: .

2. Количество аммиака циркулирующего в схеме: .

3. Удельная объёмная холодопроизводительность: ,

где - удельный объём аммиака.

4. Объём описанный поршнем: ,

где - действительный объём, который будет заходить в цилиндр компрессора (действительный объём, описанный поршнем);

- коэффициент подачи, учитывающий изменение объёма аммиака за счёт вредного пространства подогрева и неплотностей.

может задаваться () или рассчитываться:

.

,

где с - коэффициент, учитывающий наличие вредного пространства.

Тип холодильной машины	Величина с
Крупная горизонтальная	1,5…3
Малая горизонтальная	5…8
Вертикальная простого действия	2…6

m - показатель политропы (m=0,9…1,1?1).

5. Находим диаметр поршня:

,

где S - ход поршня; n - число оборотов вала в минуту; z - число цилиндров (задаётся).

.

Диаметр рассчитывают по характеристике , м/с

Для ГД ; для ВП .

.

Для аммиачных компрессоров ГД (А^ГД): ;

Для аммиачных компрессоров ВП (А^ВП): ;

Для фреоновых компрессоров ВП (Ф^ВП): .

6. Теоретическая работа компрессора: .

7. Теоретическая мощность компрессора: .

8. Индикаторная мощность: ,

где - индикаторный КПД;

- коэффициент: для А^ГД , для А^ВП .

Для компрессоров малой мощности .

9. Эффективная мощность: , .

10. Мощность электродвигателя: , .

11. Теоретический холодильный коэффициент: .

12. Действительный холодильный коэффициент: .

Нормальные условия для компрессионной холодильной машины:

, , ;

Стандартные условия для компрессионной холодильной машины: , , .

.

ПРИМЕР РАСЧЁТА КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Определить объём, описанный поршнем действительной холодильной машины; действительный холодильный коэффициент; нормальную холодопроизводительность; потребляемую мощность электродвигателя для компрессора. Рабочее тело - фреон-12.

, , .

Во всасывающем патрубке компрессора фреон перегревается на 3⁰С; При этих условиях ккал/час.

ккал/кг;

ккал/кг;

ккал/кг;

м³/кг.

ккал/кг.

кг/ч.

м³/ч.

;

;

.

м³/ч.

ккал/кг.

.

.

ккал/ч.

л.с.

л.с.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ

Сорбция - физико-химический процесс, в результате которого происходит поглощение каким-либо телом газов, паров или растворённых веществ из окружающей среды.

Абсорбция - поглощение газа в объёме, а так же избирательное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение происходит либо в результате растворения в абсорбенте, либо в результате химического взаимодействия. В 1-м случае процесс называется физической абсорбцией, во 2-м - хемабсорбцией.

Абсорбентами служат однородные жидкости, либо растворы активного компонента в жидком растворителе.

К абсорбентам предъявляют следующие требования: высокая абсорбционная способность; селективность; низкое давление паров; химическая инертность по отношению к конструкционным материалам; нетоксичность; огне- и взрывобезопасность.

С технологической точки зрения, лучшими являются те абсорбенты, расход которых для определённого процесса наименьший, т.е. в котором растворимость поглощаемого вещества выше. Поэтому абсорбенты выбирают по данным о растворимости в них поглощаемых веществ.

Физическая абсорбция газа чаще всего сопровождается выделением теплоты, следовательно, что в результате повышения температуры абсорбента возможно резкое понижение растворимости газа. Поэтому для поддержания производительности абсорбента прибегают к его охлаждению.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АБСОРБЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Преимущество абсорбционной холодильной установки перед компрессионной является использование для выработки холода тепловой энергии как низкого, так и среднего потенциала.

В процессе абсорбции температура пара м.б. ниже температуры абсорбента, поглощающего пар. Для процесса важно следующее: необходимо, чтобы концентрация абсорбируемого пара была равна или больше равновесной концентрации этого пара над абсорбентом.

Для возможности применения абсорбента он должен с достаточной скоростью поглощать хладоагент и при одинаковых давлениях их температура кипения д.б. значительно выше температуры кипения хладоагента.

Наибольшее применение получили водоаммиачные абсорбционные установки, в которых аммиак является хладоагентом, в вода - поглотителем (абсорбентом). Аммиак сильно растворяется в воде. При 0⁰С в одном объёме воды растворяется 1148 объёмов парообразного аммиака.

Абсорбция жидкого аммиака в воде сопровождается выделением тепла (750 кДж на 1 кг аммиака). Ещё больше аммиака выделяется при растворении паров аммиака, т.к. происходит выделение теплоты парообразования (1250 кДж/кг).

При нагревании водоаммиачного раствора происходит не только выделение паров аммиака, но и испарение воды. Пока температура низкая - выделяется в основном пар аммиака. Состав смеси паров первоначальной стадии отличается преобладанием аммиака, в дальнейшем количество водяных паров начинает расти.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА АБСОРБЦИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

1. Генератор;

2. Конденсатор;

3. Дроссель;

4. Испаритель;

5. Абсорбер;

6. Перепускной вентиль;

7. Насос.

В генераторе 1 за счёт подогрева происходит выпаривание аммиачного раствора, в результате чего, образуется аммиачный пар с незначительной примесью воды. Вследствие чего, содержание аммиака в растворе может уменьшаться, если его не пополнять крепким концентрированным раствором. Полученный пар попадает в конденсатор 2, где за счёт внешнего охлаждения превращается в жидкость. Жидкий аммиак идёт в регулирующий вентиль 3, где происходит понижение давления с частичным испарением жидкого аммиака и понижением его температуры. Далее аммиак поступает в испаритель 4, где он переходит в паровую фазу за счёт тепла, подводимого хладоносителем. Пары аммиака поступают в абсорбер 5, где поглощаются слабым раствором, поступающим из генератора. Для возможности непрерывности процесса теплоту абсорбции q_a отводят с помощью охлаждающей воды. В результате в абсорбере образуется крепкий аммиачный раствор, который насосом 7 перекачивается в генератор. А взамен его из генератора через вентиль 6 в абсорбер подаётся слабый раствор. Т.о., в простой абсорбционной установке имеется 2 аппарата (генератор и испаритель), в которых тепло подводится к рабочему телу извне и 2 аппарата, в которых тепло отводится от рабочего тела (конденсатор и абсорбер).

В практических расчётах в качестве энергетического показателя абсорбционной установки применяется холодильный коэффициент: . Для получения представления о максимальном значении , его зависимости от параметров цикла рассмотрим идеальный цикл абсорбционной установки, изображённый на TS - диаграмме.

С термодинамической точки зрения абсорбционная холодильная машина может рассматриваться, как состоящая из 3-х резервуаров:

1-ый - генератор, куда поступает тепло (12341), при наивысшей температуре Т генератора;

2-ой - испаритель, куда подводится тепло q₀ (45674) с низкой температурой Т₀;

3-ий - конденсатор или абсорбер, в них отводится тепло (18971), при температуре охлаждающей воды t_w.

; .

-приведенный холодильный коэффициент.

ПРОЦЕССЫ В АБСОРБЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ

Расчёты абсорбционной холодильной установки ведутся при помощи - диаграмм. - концентрация, например, аммиака. Диаграммы построены для водоаммиачных растворов. В холодильной технике концентрацию легкокипящего компонента обозначают через и относят её к 1 кг раствора.



В - диаграмме изотермы в области влажного пара не показаны, их проводят в соответствии с равновесными концентрациями аммиака в жидкой фазе и парах. Например, точке концентрации аммиака в парах соответствует т.2, которая определяется пересечением изотермы из т.1 с изобарой. Линия 1-2 соответствует изотерме влажного пара.

В пределах равных изобар для жидкой и паровой фаз изотермы образуют сетку прямых линий с различным углом наклона. Для других значений изобар изотермы имеют другой уклон и могут пересекаться с ними, поэтому сетка изотерм влажного пара на - диаграмме не наносится.

Построение процессов в абсорбционной холодильной установке в - диаграмме принципиально не отличается от построения процессов для ректификационной установки, но абсорбционной холодильной установке кроме рассмотренных выше элементарных процессов есть также процессы дросселирования и абсорбции.

Рассмотрим процесс дросселирования

Представим жидкость с давлением Р_г перед дроссельным вентилем (т.6). Давление после дросселирования - Р₀. Процесс дросселирования происходит при равенстве начального и конечного теплосодержания; концентрация смеси, пара и жидкости после дросселирования равна начальной концентрации жидкости (), поэтому т.7 совпадает с т.6 и характеризует раствор до и после дросселирования. При давлении Р_г и теплосодержании i₆ (т.6) раствор является жидкостью. После дросселирования часть раствора при давлении Р₀ превращается в пар. т.7 лежит вне линии Р₀ и характеризует состояние влажного пара при t₇. Состояние жидкой и паровой фаз после дросселирования можно найти зная положение изотермы t₇, проходящей при давлении Р₀ через т.7. Смесь содержит жидкость и пар с концентрациями и . Это соответствующие точки при пересечении изотермы t₇ с кривыми, относящимися к давлению Р₀. Количество пара, полученного после дросселирования пропорционально отрезку , а количество жидкости - отрезку . На - диаграмме процесс дросселирования изображается линией 6-7. Как видно из этой диаграммы процесс протекает с понижением температуры с образованием пара.

Рассмотрим процесс абсорбции (поглощения)

Для процесса абсорбции необходимо чтобы концентрация аммиака в паровой фазе была в течении всего процесса равной или большей концентрации его в паре, находящегося в равновесии с поглощающей жидкостью.

Например, если точке 3⁰, соответствующей содержанию аммиака в жидкости, то т.3^`, соответствующая содержанию аммиака в парах, то концентрация аммиачной смеси, поступающей из испарителя в абсорбер д.б. равной или большей, чем концентрация аммиака .

Если концентрация аммиака в парах меньше равновесной (т.), то процесс поглощения начинается после того, как эти пары будут охлаждены до температуры жидкости, причём концентрация смеси после абсорбции будет меньше, чем в случае, когда концентрация поглощающих паров выше равновесной над абсорбирующей жидкостью.

Упрощённо процесс абсорбции можно представить как смешение влажного пара, поступающего из испарителя с парожидкостной эмульсией из генератора и последующее охлаждение этой смеси до полной конденсации.

Допустим, что из испарителя в абсорбер поступает влажный пар в состоянии т.8. Начальное теплосодержание и концентрация парожидкостной эмульсии, поступающей из генератора определяется точкой 3. Точка смешения лежит на линии 3-8. Предположим, что параметры этой смеси определены точкой С. Для полной конденсации и непрерывности процесса абсорбции необходимо отвести теплоту охлаждения до т.4. Количество теплоты . В результате этого процесса концентрация аммиака в холодном конце абсорбера увеличится ().

Т.о. процесс поглощения жидкостью паров, с концентрацией превышающей концентрацию равновесного состояния при постоянном давлении характеризуется повышением концентрации аммиака в жидкости и отводом тепла абсорбции (температура жидкости понижается).

Для изображения процесса упрощённой абсорбционной установки на - диаграмме в соответствии со схемой надо определит температуры жидкости при выходе из генератора t₂, из абсорбера t₄ и испарителя t₈. Эти температуры устанавливаются в зависимости от температуры греющего источника, т.е. температуры насыщения (t_н); температуры охлаждающей воды (t_в) и температуры охлаждаемой среды (t_с). Давление в конденсаторе Р_к определяют по температуре сконденсированной водоаммиачной смеси t_в, которую принимают на 5…7⁰С выше температуры охлаждающей воды (при выходе её из конденсатора). Давление в генераторе Р_г в упрощённых расчётах равно Р_к, тогда давление в абсорбере Р₀ принимается равным давлению в испарителе, а последнее чуть меньше (на 0,05 МПа) давления насыщенных паров аммиака при низшей температуре в испарителе t₇.

Проводят линии кипения и конденсации для давлении Р₀ и Р_г. Наносят изотермы t₂, t₄ и t₈. т.4 характеризует состояние жидкости на выходе её из абсорбера. Раствор из абсорбера подаётся водоаммиачным насосом в генератор. После насоса жидкость имеет давление Р_г, но ту же температуру t₄, концентрацию и теплосодержание i₄, но все эти параметры совпадают с т.1.

Температура раствора, сжатого насосом до давления Р_г будет ниже точки кипения 1⁰ и он, следовательно, будет находиться в переохлаждённом состоянии. Поступив в генератор раствор подогревается до температуры кипения по линии (). После этого раствор начинает кипеть при Р_г=const и кипит в пределах температур t₁…t₂. Состояние пара, уходящего из генератора в конденсатор, являясь равновесным среднему состоянию жидкости в генераторе и определяется т.5. Т.о. линия , соответствующая изменению состояния жидкой фазы во время кипения в генераторе, а линия - изменению паровой фазы в процессе кипения в генераторе.

Конденсация водоаммиачного пара происходит при постоянной концентрации, поэтому опустив перпендикуляр из т.5 до пересечения с линией давления Р_г (жидкости), получаем состояние её после конденсации (т.6). Жидкость после конденсации дросселируется до давления Р₀ и т.к. при этом концентрация парожидкостной эмульсии не меняется, то т.7 совпадает с т.6 и определяет состояние раствора в конце процесса дросселирования. При этом т.7 соответствует не жидкость, а влажный пар, т.е. смесь жидкости (т.7⁰) и пара (т.7') при температуре t₇.

Жидкость в состоянии т.7⁰ кипит в испарителе при давлении Р₀, при этом её температура меняется от t₇ до t₈ и этой температуре соответствует равновесное состояние пара (т.8'). Параметры жидкости в конце процесса кипения в испарителе (т.8⁰) определяются пересечением изотермы t₈ с линией давления Р₀. Состояние пара точки пересечения изотермы t₈ с линией давления Р₀ - пар в состоянии (т.8'). Состояние пара в т.8' мало отличается от пара состояния т.7', поэтому за конечное состояние пара принимают т.8. Т.к. концентрация парожидкостной эмульсии остаётся постоянной и равной величине , то пересечение изотермы t₈ с линией в т.8 определяет параметры смеси после её кипения в испарителе.

Жидкий раствор после генератора в т.2 дросселируется до давления Р₀ (т.3) и поступает в абсорбер. т.3 соответствует очень влажному пару с температурой t₃, давлением Р₀ и концентрацией аммиака .

Смесь после перепускного дроссельного вентиля с параметрами т.3 и влажный пар после испарителя т.8 поступает в абсорбер, где происходит поглощение жидкой фазой паров с большей концентрацией аммиака, поступающей из испарителя.

Процесс абсорбции представляется двумя фазами:

1. смешение - линия 3с8;

2. охлаждение - линия с4.

Охлаждение необходимо для конденсации не только пара из испарителя, но и пара, образовавшегося при дросселировании. Процесс поглощения изображается также линией 3⁰4.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ПРОСТЕЙШЕЙ АБСОРБЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Расчёт абсорбционной холодильной установки ведётся на 1 кг пара сжижаемого в конденсаторе.

Уравнение теплового баланса:

(1)

В тепловом балансе не учитывается работа насоса на сжатие жидкости, перешедшее в тепло.

Если обозначить количество пара, сжижаемого в конденсаторе через D (кг/ч), а количество крепкого раствора, поступающего из абсорбера в генератор F (кг/ч). Из f (кг) раствора, поступающего в генератор выделяется по условию 1 кг пара уходящего в конденсатор, а (f-1) возвращается из генератора в абсорбер.

Если в конденсаторе конденсируется 1 кг пара, то и в испарителе пройдёт 1 кг. В абсорбер поступает (f-1) кг (слабого раствора) и 1кг влажного пара из испарителя, а уходит f кг крепкого раствора в генератор. Величина - называется кратностью циркуляции. Она м.б. определена по концентрациям жидкости и пара, проходящих через генератор. Зная температуры: греющего источника (t_н), охлаждающей воды (t_в) и охлаждающей среды (t_с) можно при помощи -диаграммы установить концентрацию раствора, поступающего в генератор (), концентрацию слабого раствора, уходящего из генератора (), среднюю концентрацию пара, уходящего из генератора ().

Запишем уравнение материального баланса для аммиака, циркулирующего в генераторе:

.

Определим отдельные составляющие теплового баланса установки.

Тепловой баланс генератора:

,

где и - энтальпии крепкого слабого растворов;

- энтальпия пара, образующегося в генераторе.

Количество теплоты, которое надо подвести в генератор:

, кДж/кг.

Тепло, отведенное от конденсатора:

, кДж/кг

где - энтальпия жидкости на выходе из конденсатора.

Тепло, подведенное в испаритель:

,

где - энтальпия влажного пара, выходящего из испарителя.

Тепло, отведенное от абсорбера:

.

Из подобия треугольников 2а1 и 2В0 имеем:

Решаем это уравнение относительно :

.

Вычтем из :

;

.

Из подобия треугольников и определяем теплосодержание смеси на выходе из испарителя:

.

ПОЛНАЯ СХЕМА ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ АБСОРБЦИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Для повышения холодильного коэффициента и уменьшения расхода охлаждающей воды между генератором и абсорбером устанавливают ТА, в качестве генератора или ректификационная установка.

Применяется переохлаждение жидкого аммиака.

1. генератор;

2. конденсатор;

3. вентиль;

4. испаритель;

5. абсорбер;

6. перепускной вентиль;

7. насос;

8. теплообменник;

9. дефлегматор.

В теплообменнике происходит передача тепла от горячего слабого раствора, выходящего из генератора, к холодному крепкому раствору из абсорбера. Благодаря этому крепкий раствор поступает в генератор подогретым. В результате уменьшаются затраты тепла в генераторе. Слабый раствор охлаждается, следовательно, уменьшается количество тепла, отводимого из абсорбера.

В генераторе при кипении выделяется не только аммиак, но и водяной пар. При низких температурах крепкого раствора содержание водяных паров мало. Но по мере обеднение раствора и повышения его температуры количество водяных паров становится значительнее. Так при давлении 10 ата=1 МПа и температуре 120⁰С концентрация аммиака 82% и 18% паров воды. Эти водяные пары конденсируются и превращаются в воду, следовательно, жидкость испаряется в испарителе при уменьшенном давлении. В конденсаторе и испарителе вода из водяного пара, имея низкую температуру, начинает поглощать пары аммиака, следовательно, уменьшается количество жидкого аммиака, производящего холод. Также при поглощении выделяется тепло, которое также уменьшает холодопроизводительность установки. Т.о. для борьбы с этими явлениями и для повышения холодопроизводительности применяется ректификация паров. Для чего на встречу выходящей из генератора паровой смеси направляют богатый аммиаком раствор. Между ними происходит тепломассообмен. В процессе тепломассообмена пары аммиака обогащаются летучим компонентом, а раствор не летучим, т.е. водой. В таких установках содержание водяного пара может достигать в парах, поступающих в конденсатор, величину менее 1%.

Ректификация абсорбционной холодильной установки осуществляется различными способами. Например, при помощи холодного раствора до его поступления в теплообменник или с помощью дефлегматора, охлаждающегося водой. Кроме того, до поступления паров в дефлегматор концентрация аммиака в парах в колонне значительно повышается. При этом колонна составляет одно конструктивное целое с генератором.

В ректификационной колонне процесс ректификации пара, уходящего из генератора в конденсатор, осуществляется за счёт соприкосновения его с крепким раствором из теплообменника и обогащённой аммиаком флегмой, поступающей из дефлегматора. Обогащение флегмы происходит вследствие частичной его конденсации в дефлегматоре с помощью охлаждающей воды или крепким раствором. Недостатком использования охлаждающей воды является увеличение расхода греющего пара в генераторе.

АППАРАТЫ АБСОРБЦИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Генераторы для абсорбционных холодильных установок выполняются в виде горизонтальных или вертикальных кожухотрубных аппаратов или же в виде элементных двухтрубных аппаратов.

На рисунке изображён трубчатый генератор с ректификационной колонной, обогреваемой дымовыми газами. В межтрубном пространстве кипит аммиачная смесь. Эта смесь поступает в аппарат через ректификационную колонну.

Если аппарат вертикальный, то газ или греющий пар поступает в межтрубное пространство, а раствор кипит в трубах. Исходный раствор поступает в ректификационную колонну, расположенную над греющей поверхностью. Колонны генераторов в качестве насадок используют тарелки или кольца Рашига.

В элементных генераторах греющий пар или газ движется внутри трубок, а водоаммиачный раствор кипит в межтрубном пространстве. Этот аппарат имеет выносной ректификатор, в некоторых случаях и дефлегматор.

Абсорберы выполняются как горизонтальными, так и вертикальными плёночными (противоточные). В горизонтальных оросительных абсорберах раствор поступает в аппарат сверху и орошает трубки, внутри которых циркулирует охлаждающая вода. Снизу подаётся пар, поглощается раствором. Крепкий раствор в абсорбере отводится из нижней части.

Остальные аппараты (конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель, теплообменники) не имеют принципиального отличия от аппаратов для компрессионной холодильной установки рассмотренной ранее.

Параметрический ряд абсорбционных холодильных установок водоаммиачных по мощности, кВт (ккал/ч): 580 (500); 1160 (1000); 1860 (1600); 2900 (2500); 4650 (4000); 7330 (6300); 9280 (8000).

Водоаммиачные машины холодильной мощностью 1,16 МВт с температурой охлаждения 258 К работают на паре из отбора турбин ТЭЦ, на заводах искусственного волокна, на машиностроительных заводах и используются в строительстве.

ПАРОЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Вода, как холодильный агент, имеет ряд ценных качеств (высокая теплота парообразования, безопасна, безвредна, дешёвая).

Температура, 0С	Давление, мм рт. ст.	Удельный объём, м3/кг
-20	0,96	995
-16	1,34	722
-10	2,16	451
-8	2,52	388
-6	2,94	332
-3	3,68	282
0	4,58	206,4
+2	5,29	180
+4	6,09	157,3
+6	6,997	139
+8	8,023	121
+10	9,21	106
+14	11,99	83

В таблице приведены параметры насыщенного водяного пара в области температур от -20⁰С до +14⁰С, из которой следует, что для получения низких температур испарения требуется создавать очень низкие давления, которые невозможно получить с помощью поршневого компрессора. Кроме того, таблица показывает, что удельный объём водяных паров велик, вследствие чего поршневой компрессор должен иметь огромные размеры, поэтому воду как хладоагент в компрессионных не используют. Однако развитие пароструйных эжекторов и указанные положительные качества воды позволили разработать пароэжекторные холодильные установки.

Впервые пароэжекторные холодильные установки стали применяться на военных кораблях, для применения эрорефрижерации пороховых погребов, для снарядных и продовольственных помещении. В настоящее время пароэжекторные холодильные установки нашли широкое применение в системах кондиционирования воздуха, где они весьма успешно конкурируют с компрессионными холодильными установками. В холодильных установках этого типа для получения холода используется теплота, подводимая с водяным паром. Рабочим телом также является вода. Поэтому температурный уровень производства холода определяется диапазоном температур ⁰С. Целесообразность их использования определяется возможностью утилизации вторичных энергоресурсов в виде пара, а также пара из отбора турбин. Особенно в летний период времени, когда отборы не загружены отпуском теплоты на отопление.

1. эжектор;

2. конденсатор;

3. регулирующий вентиль;

4. испаритель;

5. кондиционер;

6. циркуляционный насос;

7. питательный насос;

8. котёл.



Размещено на Allbest.ru

...