Конструкції теплообмінників

Теплообмінні апарати можна класифікувати за призначенням (підігрівники, охолоджувачі і т.д.), за числом ходів теплоносія, за схемами різного поєднання прямотоку, протитечійності і пере­хресної течії.

Незважаючи на те, що теплообмінні апарати розрізняють за принципом дії, будовою, типом теплоносіїв і призначенням, мож­на сформулювати ще й основні вимоги теплового, гідроди­намічного, експлуатаційного, конструктивного і технічного ха­рактеру, які треба враховувати при виборі типу, розрахунку і конструктивній розробці теплообмінної апаратури.

Основна вимога, з точки зору теплопередачі та гідродинамі­ки, є досягнення в теплообміннику максимального коефіцієнта теплопередачі при мінімальному гідравлічному опорі. Підвищен­ня коефіцієнта теплопередачі дає можливість зменшити габари­ти, вагу, вартість теплообмінників та витрати металу. Зменшення гідравлічного опору апарата призводить до зниження витрат енергії на прокачування теплоносіїв. Проте обидві ці вимоги зви­чайно перебувають у взаємній суперечності. Тому, конструюючи теплообмінники, доводиться шукати оптимальне розв'язання цієї суперечливості.

При виборі типу теплообмінного апарата і конструюванні його окремих вузлів часто вирішальним фактором служать експ­луатаційні вимоги:

а) мала забрудненість поверхні теплообміну, зручність очи­щення, огляду і ремонту;

б) герметичність поверхні теплообміну, що дає можливість уникнути змішування обох теплоносіїв;

в) надійність у роботі.

Конструктивні вимоги до теплообмінних апаратів:

а) надійна компенсація неоднакових температурних наванта­жень корпуса і поводжень корпуса і поверхні теплообміну;

б) компактність, що визначає його масові і геометричні дані (компактність характеризується відношенням поверхні тепло-

обміну F до об'єму теплообмінного апарата V); чим більше це відношення, тим компактніший апарат).

в) загальна простота і технологічність конструкції тепло­обмінного апарата.

Кожухотрубні теплообмінники. Найпоширеніші в промисло­вості, дають можливість створювати значні поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні і надійні в експлуатації.

На рис. 4.23 зображено вертикальний кожухотрубний однохо-довий теплообмінник, що складається з корпусу 2, приварених до нього нерухомих трубних решіток 3, пучка труб 4, кінці яких закріплені в трубних решітках розвальцюванням або зварюван­ням. До трубних решіток прикріплені кришки 1. Один з тепло­носіїв І рухається всередині труб, а другий II — у просторі між ко­жухом і трубами (в міжтрубному просторі).

Через малу швидкість руху теплоносіїв одноходові тепло­обмінники мають низькі коефіцієнти тепловіддачі. Щоб збільши­ти швидкість руху теплоносіїв, застосовують багатоходові тепло-

обмінники (рис. 4.24), в яких пучок труб за допомогою попереч­них перегородок 1, встановлених у кришках, розділений на кілька секцій (ходів), по яких теплоносій І проходить послідовно. Швидкість руху теплоносія II в міжтрубному просторі підвищу­ють, встановлюючи ряд сегментних перегородок 2. З двох тепло­носіїв, що рухаються в трубах і в міжтрубному просторі, треба збільшувати швидкість руху в першу чергу того, в якого при теп­лообміні вищий термічний опір.

Труби в трубних решітках розміщують переважно по периме­тру правильного шестикутника (рис. 4.25, а). Для даного випад­ку, обчислюючи загальну кількість п труб в теплообміннику, ви­ходять з кількості труб а, розміщених на стороні найбільшого шестикутника

(4.33)

Кількість труб, розміщених по діагоналі найбільшого шести­кутника, знаходять за формулою

, (4.34)

При закріплені труб у трубних решітках розвальцьовуванням крок t розміщення труб вибирають залежно від їхнього зовніш­нього діаметра в межах

(4.35)

При закріплені труб зварюванням крок розміщення труо ви-

бирають меншим

Діаметр D теплообмінника визначають із співвідношення

(4.36)

Іноді труби розміщують по периметрах квадратів (рис. 4.25, б) або по концентричних колах (рис. 4.25, в).

При проектуванні кожухотрубних теплообмінників тепло­носій, що найбільше забруднює поверхню теплообміну, спрямо­вують у труби (трубний простір), які легше очищати.

При різниці температур між кожухом і трубами понад 50 °С або при значній довжині труб застосовують кожухотрубні тепло­обмінники з різними компенсаторами температурних наванта­жень.

Двотрубні теплообмінники типу "труба в трубі". Тепло­обмінники цього типу складаються з кількох послідовно з'єдна­них елементів, утворених двома концентрично розміщеними тру-

бами. Один теплоносій рухається у внутрішніх трубах, а дру­гий — в кільцевому зазорі між внутрішніми і зовнішніми трубами.

Заглибні теплообмінники звичайно виготовляють у вигляді змі­йовиків. Змійовик занурений в рідину, яку нагрівають або охолод­жують теплоносієм, що рухається всередині змійовика. Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках порівняно низький, але через простоту виготовлення вони набули значного поширення.

Зрошувальні теплообмінники складаються із змійовиків, зро­шуваних ззовні рідким теплоносієм (звичайно водою), і застосо­вуються переважно як холодильники. Змійовики роблять з пря­мих горизонтальних труб розташованих одна над одною і послідовно сполучених між собою калачами. Зверху змійовики зрошують водою, яка рівномірно розподіляється коритечком із зубчастими краями.

Спіральні теплообмінники. В спіральних теплообмінниках по­верхню теплообміну утворюють два зігнуті у вигляді спіралей ме­талеві листи внутрішні кінці яких приварені до перегородки. Зовнішні кінці листів зварені один з одним. Між листами утворю­ються канали прямокутного перерізу, в яких рухаються теплоносії. З торців канали закриті плоскими кришками 4 на прокладках.

Пластинчасті теплообмінники використовують у промисло­вості для пастеризації і охолодження молока, пива, вина та інших продуктів. Поверхню теплообміну в них створюють гофровані па­ралельні пластинки, встановлені на горизонтальних штангах. Кінці штанг закріплені на стояках. У складеному вигляді пластини стиснуті між натискною плитою за допомогою гвинта. Ущільнені пластини гумовими прокладками. Велика прокладка обмежує ка-

нал для проходження рідини між пластинами. Малі кільцьові про­кладки ущільнюють отвори, крізь які протитєчійно до рідини над­ходить і виходить інша рідина II. Продукт у пластинчастому теп­лообміннику обробляється тонким шаром (3...6) млі, що сприяє інтенсифікації процесу. Завдяки рифленій поверхні пластин при порівняно малій швидкості руху рідини (0,3...0,8) м/с за рахунок штучної турбулізації потоку досягають високих коефіцієнтів теп­лопередачі при незначному гідравлічному опорі.

Рис. 4.26. Поверхня з ребристих труб ребристого теплообмінника

Конструктивні, експлуатаційні та теплотехнічні переваги пластинчастих теплообмінників сприяють дедалі ширшому за­стосуванню. Недолік їх — велика кількість довгих ущільнюваль­них прокладок.

Ребристі теплообмінники. Для більшої компактності тепло­обмінників використовують вторинні поверхні (ребра) з боку теп­лоносія, що відрізняється низьким значенням коефіцієнта теп­ловіддачі. На рис. 4.26 зображена поверхня з оребрених труб, утво­рена за допомогою круглих ребер, закріплених на зовнішній по­верхні круглих труб. Таку конструкцію часто використовують у теплообмінниках газ — рідина або газ — пара, в яких при опти­мальній конструкції поверхня з боку газу має бути максимальною, наприклад, в колориферах для нагрівання повітря парою в сушиль­них установках, а також в апаратах повітряного охолодження.

Оболонкові теплообмінники. В них нагрівання і охолодження здійснюють поряд з іншими технологічними процесами. Поверх­ню теплообміну в них утворюють стінки самого апарата (рис. 4.27). До корпуса 2 кріпиться оболонка 3 за допомогою фланця 1.

Випарювання

Загальні відомості. Процес випарювання відіграє значну роль у багатьох галузях промисловості. Незважаючи на те, що процес випарювання застосовують з різною метою, проте суть його завжди лишається у вилученні з розчину нелеткої речовини летко­го розчинника при температурі кипіння. Остання умова встанов­лює відмінність між процесами випаровування і випарювання.

Рідка фаза — чи то чистий розчинник, чи то розчин — утворює другу фазу (пару) незалежно від температури рідкої фази. Над рідкою фазою утворюється парова фаза. Процес пароутворення до настання моменту кипіння називають випаровуванням. Ме­ханізм процесу випаровування з точки зору молекулярно-кінетич­ної теорії можна уявити так. Молекули рідини на поверхні поділу двох фаз перебувають у русі, інтенсивність якого залежить від тем­ператури. Частина молекул, що має більшу швидкість, вилітає з рідини в паровий простір. Пружність пари при цьому зростає.

Процес випаровування, таким чином, поверхневий і розви­вається на межі двох фаз. Інтенсивність його залежить від умов на поверхні поділу двох фаз. Тут, якщо випаровування відбу­вається у відкритій посудині, відіграє роль швидкість руху повітря над поверхнею поділу фаз. По суті — це процес ди­фузійний. Момент кипіння настає тоді, коли тиск насиченої пари рідини стає рівним зовнішньому тиску. Для кожного значення тиску ця температура при кипінні чистого розчинника лишається

сталою. У випадку кипіння розчину, в міру зростання його кон­центрації, температура кипіння підвищуватиметься. Процес утворення пари під час кипіння називають випарюванням.

Механізм процесу утворення пари в процесі кипіння, тобто випарювання, досить складний. Його можна уявити так. На відміну від випаровування, під час випарювання нова фаза вини­кає на поверхні нагрівання. Для виникнення цієї фази треба, щоб на поверхні нагріву були центри, навколо яких утворюватимуть­ся елементи нової фази. Цими центрами є бульбашки повітря, по­рошинки та ін. Загальновідомо, що без центрів кипіння в чистій дегазованій воді в посудинах з гладенькими стінками температу­ру кипіння при нормальному тиску можна довести до 200 °С.

Застосуємо до цього явища правило фаз. Якщо у розчині є один нелеткий компонент, то число компонентів К дорівнювати­ме 2. Кількість фаз теж дорівнює 2. У такому випадку число сту­пенів вільності

тобто система стає визначеною, якщо задані два параметри з трьох, що визначають її стан (тиск, температура, концентрація). Отже, якщо ми задамося тиском р і концентрацією С, матимемо температуру, визначену цими умовами.

Температура кипін«я розчинів. Як відомо, розчини нелетких речовин за однакового тиску киплять при температурі, вищій за температуру чистого розчинника. Для визначення температури кипіння розчину за різних тисків найнадійніший спосіб — експе­риментальне дослідження, в результаті якого знаходять залежність

Такі експериментальні дані для нормального тиску є для всіх технічно важливих розчинів. Є вони і для розчинів сахарози та глюкози.

Багатокорпусне випарювання показано на рис. 4.28, де гріюча пара D, надходить до камери (міжтрубний простір) і, кон­денсуючись в ній, передає свою теплоту розчину, який кипить у трубках. Конденсат пари відводять з парової камери внизу. Роз­чин S, якій надійшов у 1-й корпус, кипить в кип'ятильних трубках парової камери і піднімається в них знизу вгору. Циркуляційна труба в центрі камери призначена для опускання розчину, і забез­печує організовану циркуляцію. Вторинна пара з 1-го корпуса че­рез сепаратор надходить у парову камеру 2-го корпуса. Частину

цієї пари можна використати для обігрівання теплообмінних апа­ратів або для інших потреб виробництва. Цю пару називають ек-страпарою Е. Розчин з 1-го корпуса, вже більшої концентрації, надходить у 2-й корпус, як це й показано на схемі.

Гази гріючої пари, що не конденсуються, відводять з парової камери через труби у паровий простір наступного корпуса. З ос­таннього корпуса вторинну пару спрямовують у конденсатор, де вона проходить знизу вгору між полицями, зустрічається з хо­лодною водою і конденсуються. Змішаний з водою конденсат ви­сокою барометричною трубою передається в приймач, а гази, що не конденсуються, через вловлювач відсмоктуються вакуум-на­сосом. Завдяки конденсатору і вакуум-насосу в цій випарній ус­тановці створюється певний режим тисків і температур. Темпера­тура гріючої пари 1-го корпуса тиск ; температура киплячого розчину в 1-у корпусі температура вторинної пари 1-г корпуса і тиск . Конденсат з 1-го корпуса виходить з температурою

Величина , — рушійна сила процесу, яка визначає інтен­сивність переходу теплоти від пари до киплячої рідини. , тобто різниця між температурами кипіння води і розчину

дорівнює сумі фізико-хімічної та гідростатичної депресій. За період переходу вторинної пари з 1-го корпуса по трубопроводу в парову камеру 2-го корпуса, тиск пари на якусь величину падає і температура гріючої пари буде . Температура конден­сату гріючої пари 1-го корпуса дорівнює вона трохи менша від температури пари оскільки, стікаючи до поверхні труб, які омиває кипляча рідина з температурою конденсат трохи охоло­джується. Величину , можна орієнтовано визначити з рівняння

, (4.38)

Гази, що не конденсуються, з верхньої частини парової камери спрямовують у паровий простір 2-го корпуса. Частину пари 1-го корпуса , можна використати для обігрівання інших апаратів.

Тиск у 2-му корпусі установки менший від тому розчин, що надходить з 1-го корпуса, кипить при температурі , меншій за . Різниця температур має бути досить значною, щоб здійснювався перехід теплоти від пари, яка конденсується, до киплячої рідини.

Температури кипіння розчину в корпусах встановлюють залеж­но від їх продуктивності. Остання залежить від відбору екстрапари. Механізм процесу, в результаті якого має місце спад температури кипіння, в міру зростання номера корпуса такий: в останньому кор­пусі, з якого вторинна пара вже надходить у конденсатор, ство­рюється тиск, трохи вищий, ніж у конденсаторі, за рахунок втрати тиску в трубопроводі від корпуса до конденсатора. Чим нижчим буде тиск у конденсаторі, тим нижчим буде і тиск в останньому корпусі установки. Парова камера n-го корпуса є поверхневим кон­денсатором п - 1-го корпуса. Отже, випарна установка складається з ланцюга кип'ятильників і конденсаторів, сполучених послідовно в загальну систему. Зміна режиму роботи заключного конденсато­ра негайно вплине на режим роботи усієї установки.

Переважна більшість процесів у промисловості пов'язана з витратою гріючої пари і з утворенням вторинної пари. Сюди на­лежать і розглянуті нами процеси випарювання, сушіння, розва­рювання сировини тощо. Як ми вже переконалися, вторинна па­ра за тепловмістом мало відрізняється від гріючої пари, а викори­стання її у будь-якому процесі економічно доцільне. Зараз вто­ринну пару використовують належним чином і повністю лише у процесі випарювання двома шляхами: 1) повторно при зниженні

тиску в кожному наступному пароприймачі і 2) підвищення теп­лового потенціалу за допомогою теплового насоса.

Ці самі способи можна використати і при інших теплових процесах, наприклад, ректифікації.

Конденсація

Процес перетворення парової фази в рідку називають конден­сацією. Вона супроводжується значним зменшенням об'єму про­стору, який займала пара, що конденсується. Якщо процес кон­денсації відбувається в замкнутому об'ємі, то тиск в цьому об'ємі падає. Тому процес конденсації використовують для створення вакууму. Пара, що конденсується, залежно від умов конденсації може утворювати або плівки, які покривають поверхню, на якій відбувається конденсація, або краплі рідини. Розрізняють два ви­ди конденсації: плівкову і краплинну.

Краплинна конденсація має місце тоді, коли процес конден­сації відбувається на незмочуваній рідиною поверхні, що утво­рюється під час конденсації пари. На змочуваній конденсатом по­верхні рідина поширюється на всю поверхню, утворюючи плівку. Це буде плівкова конденсація. Не змочуються добре відполіро­вані поверхні, а також змащені жиром, гасом або мінеральними маслами. Коефіцієнт теплопередачі у випадку краплинної конден­сації значно вищий ніж за умови плівкової конденсації.

Практично конденсація відбувається або на охолоджувальній металевій поверхні, або на поверхні падаючих крапель, струмин і плівок холодної рідини. У першому випадку ми маємо поверх­неві конденсатори, у другому — зрошувальні або змішувальні.

Конденсацію застосовують для одержання рідини з пари і для утворення вакууму. В останньому випадку процес конденсації до­поміжний, як це ми бачили, розглядаючи багатокорпусну випарну установку, що працює під вакуумом. Для першого випадку вико­ристовують поверхневі конденсатори змішування (зрошувальні).

Поверхневі конденсатори застосовують тоді, коли треба зібрати конденсат і використати його для технічних потреб. Як свідчить назва цих апаратів, конденсація в них відбувається по поверхні теплообміну. Цією поверхнею може бути поверхня будь-якого типу теплообмінних апаратів рекуперативного типу. Як поверхневі конденсатори використовують кожухотрубні теп­лообмінники, зрошувальні, змійовики, "труба в трубі" та інші ти­пи. Проте процес, що відбувається в поверхневих конденсаторах,

складніший, ніж у теплообмінниках, оскільки в цих апаратах змінюється агрегатний стан середовища.

Розглянемо найзагальніший випадок, коли в конденсатор надходить перегріта пара, а з нього видаляють охолоджену ниж­че температури конденсації рідину — конденсат.

Температура води, що стікає в приймач, недостатня для викори­стання її у виробництві. Щоб одержати трохи теплішу воду, викори­стовують двоступеневшп барометричний конденсатор (рис. 4.29).

У перший конденсатор воду подають у такій кількості, щоб па­ра конденсувалася неповністю. Проте при цьому температура ба­рометричної води вища, ніж у тому випадку, коли конденсація відбувається повністю. Несконденсована у першому конденсаторі пара надходить у другий конденсатор. Температура барометричної води в ньому нижча. Змінюючи кількість води, яку подають у пер­ший конденсатор, можна регулювати температуру гарячої води.

Крім конденсаторів з полицями у промисловості використо­вують ще тарілчасті конденсатори (рис. 4.30), які працюють за . тим самим принципом, що і полицеві, але вода в них стікає вниз

Рис. 4.30. Схема тарілчастого конденсатора

не плоскими каскадами, а циліндрични­ми. У цьому конденсаторі поверхня опо­ру води і пари більш розвинена порівня­но з плівковим. Будова його і ремонт складніші.

Масообмінні процеси

4.6.1. Класифікація масообмінних процесів

Процеси перерозподілу маси між фазами і всередині фаз, спричинені намаганням системи прийти у стан фізико-хімічної рівноваги, називають масообмінними, або дифузійними процеса­ми. Рушійною силою масообмінних процесів є різниця хімічних потенціалів. Це поняття введене термодинамікою — наукою, що вивчає умови рівноваги систем.

Стан системи можна описати такими екстенсивними параме­трами: внутрішньою енергією U, ентропією S, об'ємом V. числом

молів компонентів системи

Інтенсивні параметри — тиск р, температура T, хімічний потенціал 7-го компонента ; тер­модинаміка визначає як окремі похідні від внутрішньої енергії U по V, S і відповідно

Отже, хімічний потенціал і-го компонента — це зміна внут­рішньої енергії в разі зміни маси г-го компонента на один моль за

умови, що об'єм, ентропія і маса решти k компонентів системи

залишаються незмінними.

Рівність тисків, температур і хімічних потенціалів у ылл ші-ках системи — це умова рівноваги. Рівновага порушується у зв'язку з виникненням нерівномірних полів цих величин. Різниці тисків, температур, хімічних потенціалів в різних точках системи (рушійні сили) породжують відповідно гідромеханічні, тепло­обмінні і масообмінні процеси. В результаті процесу субстанція (кількість руху, теплоти, маси) переноситься в області менших значень вказаних інтенсивних параметрів, що призводить до вирівнювання їх полів, аж до настання рівноваги. Через складність визначення хімічних потенціалів рушійну силу масо­обмінних процесів звичайно виражають наближено як різницю концентрації 7-го компонента.

Масообмінні процеси дуже поширені в промисловості, де во­ни створюють основу багатьох технологічних процесів. Розрізня­ють масообмінні процеси:

а) в системі газ (пара) — рідина: абсорбція, ректифікація;

б) в системі газ (пара) —тверде тіло: сушіння, адсорбція газів;

в) в системі рідина — тверде тіло: екстракція з твердих тіл, кристалізація, розчинення;

г) в системі рідина — рідина: рідина екстракція. Абсорбція — процес поглинання компонентів газової суміші

рідким поглиначем (абсорбентом), в якому вони розчиняються більшою чи меншою мірою. Цей процес використовують у ви­падку очищання розчинів від небезпечних домішок.

Ректифікація — процес розподілення рідкої суміші на компо­ненти різної леткості способом багаторазового протитечійного контактування рідкої і парової фаз. Процес використовують у спиртовій промисловості для виділення, концентрування і очи­щення етилового спирту, в нафтоперегонній — для вилучення з нафти пального (бензину, гасу, тощо) при розподілі скрапленого повітря на кисень та азот.

Адсорбція — процес поглинання компонентів газової або рідкої суміші поверхнею твердого тіла (адсорбента). У харчовій технології цей процес застосовують для очищання спиртових сумішей (сортівок) і цукрових сиропів. Процеси абсорбції і ад­сорбції називають сорбційними процесами. Зворотний процес — видалення поглинутих речовин — називають десорбцією.

Сушіння — процес вилучення вологи з вогких матеріалів випа­ровуванням. Цей процес застосовують майже в усіх галузях техно­логії для поліпшення транспортабельності і збережуваності про­дуктів (сушіння вугілля, глини, піску, зерна, овочів, фруктів, тощо).

Кристалізація — процес виділення речовин з розчинів або розплавів у вигляді кристалічної твердої фази. Застосовують для одержання чистих кристалічних продуктів (солі, соди, сахарози, глюкози, лактози і т.д.). Зворотний процес — перехід твердих ре­човин між молекулами рідини (розчинника) — називають розчи­ненням. Цей процес застосовують в усіх виробництвах.

Екстракція з твердих тіл — процес добування того чи іншого компонента з твердого шпаруватого матеріалу за допомогою вибіркового розчинення.

Рідинна екстракція — процес добування розчиненої в рідині речовини іншою рідиною, що не змішується з першою. Процеси екстракції як основні засоби вилучення готового продукту широ­ко застосовують у цукровому та олійному виробництвах.

Як видно з цих визначень, у більшості випадків масообмінні процеси здійснюють для вилучення одного чи кількох компо­нентів з твердого тіла, рідкої або газової суміші. Для цього фазу, яка містить вилучаємий компонент, примушують контактувати з фазою з нижчим рівнем хімічного потенціалу цього самого ком­понента. Під дією різниці хімічних потенціалів компонент дифун­дує до поверхні розподілу фаз, де потенціал нижчий, перетинає границю і переходить вглиб фази з меншим потенціалом. Цей процес може бути сталим і несталим. Останній звичайно має місце в апаратах періодичної дії. Речовини, що утворюють фази, в одних процесах (ректифікація) безпосередньо беруть участь у масообміні, а в інших (екстракція, абсорбція) виконують роль інертних носіїв, що не переходять із фази в фазу.

Масопередача

Перенесення маси в межах однієї фази до границі розподілу фаз або від неї називають масовіддачею, а загальний процес пе­ренесення маси з однієї фази в іншу — масопередачею. Зако­номірності масопередачі визначаються властивостями фаз, що беруть участь у процесах.

У рухомих фазах (рідкій і газовій) маса переноситься всіма ви­дами дифузії.

Всередині шпар твердої фази діє, як правило, лише механізм молекулярної дифузії. При цьому швидкість перенесення зале­жить від шпаруватості твердого тіла, геометрії капілярів, співвідношення розмірів капілярів і молекул і характеризується коефіцієнтом масопровідності , пропорційним коефіцієнту мо­лекулярної дифузії, але меншим від нього за величиною

(4.33)

Для визначення швидкості масовіддачі в газовій або рідкій фазах потрібно рівняння конвективної дифузії розв'язати спільно з рівнянням руху і нерозривності потоку за заданих граничних і початкових умовах. Через надзвичайну складність (немож­ливість) розв'язання такої системи диференціальних рівнянь на практиці використовують рівняння масовіддачі, запропоноване О.Н. Щукарьовим у кінці XIX сторіччя

, (4.34)

де — коефіцієнт масовіддачі, м/с;

С — різниця концентрацій на границі розділення фаз і в ядрі

потоку.

Це рівняння дає можливість всю складність фізичної картини перенесення маси приховати за величиною коефіцієнта ма­совіддачі. Розрахунок коефіцієнтів масовіддачі ґрунтується на те­оріях масопередачі.

Термодифузія. Розглянуті вище основні закони дифузії одер­жані за умови дії лише однієї рушійної сили — градієнта концен­трацій розглядаємого компонента системи. В реальних умовах масопередачі є звичайно і градієнти інших інтенсивних пара­метрів: температури, тиску, концентрації решти компонентів си­стеми. Встановлено, що швидкість дифузії даного компонента більшою чи меншою мірою залежить також від усіх зазначених градієнтів. Так, наприклад, для молекулярного перенесення в бінарній суміші можна записати

, (4.35)

де — термодифузійний коефіцієнт;

— бародифузійний коефіцієнт.

У цьому рівнянні перша складова величина характеризує кон­центраційну дифузію, друга — термодифузію (ефект Cope), третя —

бародифузію. Звичайно бародифузією нехтують. Що ж до термо-дифузії, то вона у ряді випадків відіграє помітну роль (наприклад, у процесах сушіння матеріалів). Коефіцієнт термодифузії додатний для більш важких компонентів і від'ємний — для легших. Отже, важкі компоненти переміщуються в бік зниження температури.

Дія термодифузії являється переважно в газах і до деякої міри в рідинах. Проектуючи апарати, треба прагнути, щоб напрями термодифузії і концентраційної дифузії збігалися.

Сушіння

Загальні відомості

У багатьох видах речовин міститься багато води. Під час тех­нологічної обробки нерідко відбувається зволоження напівпро­дуктів виробництва. Але в готових продуктах повинна бути точно нормована кількість вологи. Вологу з матеріалів можна вилучати різними способами: механічним, фізико-хімічним і тепловим.

При механічному способі вологу віджимають на пресах або в центрифугах. У цьому випадку вилучається лише частина вологи з матеріалу.

Фізико-хімічний спосіб ґрунтується на застосуванні різних водовідбірних засобів і застосовується переважно в лабораторній практиці. Зневоджуючи засобами є сірчана кислота, хлористий кальцій та ін.

При тепловому способі вологу з матеріалу вилучають випаро­вуванням, випарюванням і конденсацією. Цей спосіб широко за­стосовується у тому випадку, коли треба максимально вилучити вологу.

Вилучення вологи з матеріалів, при якому використовують теплову енергію для її випаровування та відведення пари назива­ють сушінням. Якщо виходити з цього означення, сушіння прин­ципово не відрізняється від випарювання, але по суті воно є од­ночасно і дифузійним процесом, оскільки волога з матеріалу в навколишнє середовище переходить при поверхневому випаро­вуванні, а також у процесі її дифузії з внутрішніх шарів до по­верхні матеріалу. Розрізняють природне і штучне сушіння. Природне відбувається на відкритому повітрі без штучного нагрівання і без відведення сушильного агента (повітря). При­кладом природного сушіння може бути сушіння кухонної солі у відкритих морських джерелах, сушіння фруктів в країнах з тепли­ми і жаркими кліматами. Цей спосіб відрізняється значною три-

валістю сушіння, причому процес цей не регулюється і одержува­ний кінцевий матеріал ще досить вологий.

У промисловості майже всюди застосовують штучне сушін­ня, тобто сушіння нагрітим сушильним агентом (димові гази, повітря, водяна пара та ін.), який після поглинання ним вологи з матеріалу відводять за допомогою спеціальних витяжних прист­роїв (вентиляторів). Для більшості виробництв сушіння є кінце­вою стадією технологічної обробки, тому цей процес застосову­ють майже в усіх виробництвах.

Принцип дії повітряної сушарки, вологий матеріал надходить у сушильну камеру повітряної сушарки, схему якої наведено на рис. 4.31 через завантажувальний бункер 3 і за допомогою транс­портних пристроїв переміщується вздовж сушильної камери 5. Висушений матеріал видаляють через бункер б. Вентилятором 4 у калорифер 1 засмоктують холодне повітря, де воно підігрівається до певної температури, а потім проходить вздовж сушарки. Кон­тактуючи з висушуваним матеріалом, повітря поглинає з нього вологу і виходить з камери висушування. На рисунку зображено основну схему сушильного процесу, що характеризується однора­зовим використанням сушильного агента. У промисловості вико­ристовують різні варіанти сушіння і відповідно різні апарати для штучного сушіння. У деяких випадках встановлюють додатковий калорифер 2, змонтований в самій сушильній камері. Така схема дає можливість значно знизити температуру сушіння, що дуже важливо для матеріалів, які треба сушити в точно заданих пара­метрах середовища. Як і в інших процесах, розрізняють дві сторо­ни процесу сушіння — його статику і кінетику.

Статика сушіння встановлює зв'язок між початковими і кінце­вими параметрами речовин (матеріалу і сушильного агента), які бе­руть участь у процесі сушіння, на підставі рівнянь матеріального і теплового балансів. Із статики сушіння визначають зміну вмісту во­логи у матеріалі, витрату сушильного агента і витрати теплоти.

Кінетика сушіння простежує зміну вологості матеріалу у часі. Для розрахунку режимів процесу сушіння і створення конст­рукцій сушильних установок потрібне спільне вивчення статики і кінетики сушильного процесу.

Параметри вологого повітря. Як сушильний агент широко використовують нагріте повітря або суміш повітря з продуктами згоряння палива. Як правило, перед початком сушіння будь-який сушильний агент є не що інше, як суміш сухого газу з водяною парою, тобто вологий газ. Виходячи з цього вологим повітрям називають бінарну суміш сухого повітря з водяною парою. Вологе повітря (газ) характеризується вісьмома параметрами в т. ч. тиском, вологістю і ентальпією (тепловмістом).

Тиск. За законом Дальтона, тиск суміші ідеальних газів, що займають певний об'єм, дорівнює сумі парціальних тисків в усіх компонентах суміші. Відповідно до цього барометричний тиск вологого повітря дорівнюватиме

(4.36)

Де — парціальний тиск сухого повітря і водяної пари.

Стан вологого повітря визначають за 1-х діаграмою і він харак­теризується на діаграмі перетином чотирьох ліній: сталих темпера­тури t, вологовмісту х, відносної вологості та ентальпії I. Для виз­начення стану повітря достатньо знати будь-які два параметри.

За допомогою діаграми вологи повітря (1-х — діаграма) яку наведено в додатку 1, можна визначити точку роси (границю охолодженого повітря) і температуру мокрого термометра (гра­ницю охолодження вологих тіл). Точка роси для повітря даного стану визначається ізотермою, що проходить через точку перети­ну ліній заданого вологовмісту з лінією відносної вологості . Границю охолодження вологих тіл або температуру мокрого тер­мометра знаходимо, як ізотерму, що проходить через точку пере­тину ліній сталої ентальпії повітря даного стану з лінією . Лінії будуть геометричним місцем точок з незмінною температурою мокрого термометра. Ці лінії на деяких діаграмах також нанесені і йдуть трохи пологіше, ніж лінії І = const.