Відцентрові методи розподілу неоднорідних систем

У першому випадку відбувається циклонний процес, а у дру­гому — відцентрове осідання або відцентрове фільтрування.

Фізична суть процесу осідання під дією відцентрової сили по­лягає в тому, що в обертовому потоці на завислу частинку діє відцентрова сила, яка спрямовує цю частинку до периферії від осі обертання по радіусу з швидкістю, що дорівнює швидкості осідання (рис. 4.16). Колова швидкість потоку, що несе частинку, дорівнює Частинка рухається з результуючою

швидкістю по траєкторії і осідає на стінках апарата. Процес осідання відбувається під дією відцентрової сили

H, (4.15)

де — маса частинки, кг;

— відцентроване прискорення, ;

— радіус обертання частинки, ;

— кутова швидкість обертання частинки, рад/с;

п — число обертів (частота обертання) частинки, 1/с. Опір осіданню, так само як і у випадку осідання під дією сили тяжіння, чинить сила опору середовища.

Рис. 4.1 б. Схема осідання під дією відцентрової сили

Для оцінки ефективності осідання під дією відцентрових сил порівняємо відцентрову силу з силою тяжіння, що діє на частин­ку. Сила тяжіння без урахування підйомних (архімедових) сил становить

H, (4.16)

Зіставлення рівнянь (4.15) і (4.16) дає

Або

(4.17)

хпРітп тйттттенттювана сила більша від сили тяжіння в Fr раз. Тут

— число Фруда, яке називають фактором розділення.

Фактор розділення показує, у скільки разів відцентрове при­скорення більше від прискорення сили тяжіння. Записавши куто­ву швидкість у виразі для критерію Фруда (фактора розділення)

через число обертів і поклавши , дістанемо

(4.18)

З цього виразу випливає, що збільшення числа обертів частин­ки значно більше впливає на зростання фактора розділення, ніж збільшення радіуса обертання. Виходячи з виразів (4.17) і (4.18), можна сказати, що для збільшення відцентрової сили доцільніше збільшити кількість обертів частинки, ніж радіус її обертання.

Фактор розділення — це важлива характеристика відцентро­вих апаратів, оскільки, за інших умов, розділяюча дія відцентро­вих апаратів зростає пропорційно величині Fr. Швидкість осідання у полі відцентрових сил можна розрахувати за рівнян­ням для визначення швидкості осідання під дією сили тяжіння з урахуванням розділення

(4.19)

Де - швидкість осідання, визначена за рівнянням для швид-

кості осідання під дією сили тяжіння, м/с.

На відміну від осідання у полі сил тяжіння швидкість відцент­рового осідання — величини змінна, оскільки рухома частинка переміщується з одного радіуса обертання на інший і значення Fr змінюється. Межі режимів руху, як і раніше (під час осідання у полі сил тяжіння), визначають числовими значеннями критерію

Рейнолдса, тобто для ламінарного режиму для перехідного

і для турбулентного Re>500.

Під час обертання робочого органа центрифуги (ротора) в рідині утворюється воронка (рис. 4.17, а), поверхня якої, як відо­мо з гідравліки, є поверхнею параболоїда обертання. Із збільшен­ням швидкості обертання висота параболоїда (глибина воронки) також збільшується і стає в багато разів більшою від висоти ро­тора, дно ротора оголюється (рис. 4.17, б). З рис. 4.17 видно, що ротор (барабан) центрифуги повинен мати на торці обмежуваль­не кільце, щоб рідина утримувалась у барабані і не вихлюпува­лась через край із збільшенням висоти параболоїда за рахунок збільшення числа обертів. Ширина цього кільця визначає макси­мальну товщину шару рідини, яка може вміщатися у барабані. Для циліндричних барабанів ширину кільця з практичних мірку­вань беруть такою, щоб відношення об'єму барабана (коефіцієнт наповнення) було в межах 0,4-0,65.

Внутрішня поверхня кільцевого шару рідини для технічних розрахунків може бути прийнята циліндричною, оскільки кри­визна поверхні кільця рідини визначається відношенням величини відцентрової сили до сили тяжіння якщо числові величини фактора розділення Fr дорівнюють практично кільком сотням чи тисячам, рівнодіина АВ, до якої в даній точці перпендику­лярна поверхня рідини, практично буде горизонтальною.

Оскільки вплив сили тяжіння в барабані центрифуги мізерний порівняно з дією відцентрової сили, барабан можна при бажанні обертати навколо горизонтальної осі; це зручно для механізації і автоматизації вивантаження осадів з центрифуги.

У відстійних (осаджувальних) відцентрових пристроях розділю-вана емульсія або суспензія відкидається відцентровою силою до стінок робочого органа (ротора центрифуги або корпуса гідроцик-лона), причому рідка або тверда фаза як більш густа осідає ближче до периферії, утворюючи на внутрішній поверхні стінок робочого органа рідинний шар або шар осаду. Інша фаза (меншої густини) розміщується кільцевим шаром ближче до його осі і може перели­ватись через обмежувач шару проясненої рідини у вигляді кільця 2 (рис. 4.18) або відводиться за допомогою спеціальних відвідних (черпальних) трубок 1 і діафрагми 3 або центральної відвідної тру­би в гідроциклонах. Тверда фаза у вигляді кільцевого шару осаду переміщується по стінках робочого органа (ротора центрифуги або корпуса гідроциклона) в зону вивантаження. Для збільшення ефек­тивності розподілу важкої і легкої рідини зазвичай використову­ють тарілчасті барабани, в яких рідина рухається між тарілками у вигляді струменя в ламінорному режимі (рис. 4.19).

Розділення емульсій у відстійних центрифугах розрізняють процеси відцентрового прояснення і відцентрового відстоюван-

ня. При відцентровому проясненні з рідини видаляють тверді домішки, що містяться в ній у незначній кількості, наприклад при проясненні пива, соку і т.п. При відцентровому відстоюванні розділяється суспензія, що містить значну кількість твердої фази.

Найпростішими пристроями для відцентрового розподілу газо­вих і рідинних систем є циклони і гідроциклони. Циклон для очи­щення газу (рис. 4.20) складається з вертикального корпуса 2 з конічним дном 1 і кришкою 3. Запилений газ надходить тан­генціально з великою швидкістю через патрубок 5 у верхню части­ну корпуса циклона. В корпусі цей потік запиленого газу рухається вниз по спіралі вздовж внутрішньої поверхні стінки циклона. При цьому важчі частинки пилу під дією відцентрової сили відкидають­ся на периферію, осідають на внутрішні поверхні корпуса, а потім сповзають у конічне дно і видаляються з апарата через патрубок.

Звільнений від завислих частинок потік виводиться з циклона через вивідну трубу 4. Для поліпшення роботи циклонів застосо­вують вставки у вигляді гвинтової поверхні, розміщеної між кор­пусом апарата і вивідною трубою. Щоб підвищити роздільну дію, замість циклона великого діаметра використовують кілька

циклонних елементів меншого діаметра, які встановлені в одно­му корпусі і працюють паралельно. Такі циклони називають ба­тарейними, або мультициклонами.

Теплові процеси

Теплопередача

Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до іншого, необхідною і достатньою умовою для якого слу­жить різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти. За одиницю кількості теп­лоти в системі СІ прийнято Джоуль.

Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою, яка у процесі теплообміну віддає теплоту, називають гарячим теплоносієм, а речовину з нижчою температурою, яка сприймає теплоту, — хо­лодним теплоносієм. Як гарячі теплоносії в промисловості най­частіше використовують водяну пару, гарячу воду, нагріте повітря, димові гази, ропу (розсіл), вугликислоту, аміак і фреони.

Є три способи перенесення теплоти: теплопровідність, кон­векція і випромінювання.

Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла.

Конвекцією називають процес поширення теплоти в результаті переміщення і перемішування між собою частинок рідини або газу.

Випромінюванням називають процес передачі теплоти від од­ного тіла до іншого поширенням електромагнітних хвиль у про­сторі між цими тілами.

Тепловіддачею називають процес теплообміну між твердою стінкою (тілом) і рідким (газоподібним) середовищем, що її омиває.

Теплопередачею називають процес теплообміну між двома середовищами, розділеними твердою перегородкою.

Теплопровідність. Закон Фур'є. Основне рівняння перенесен­ня теплоти способом теплопровідності за законом Фур'є можна подати для одновимірного потоку так:

(4.20)

Де — швидкість перенесення теплоти або тепловий потік, тобто кількість теплоти, яка передається протягом одиниці часу, Вт;

F — площа перерізу, перпендикулярна до напрямку теп­лового потоку, ;

— температурний градієнт, тобто зміна температури за­лежно від відстані у напрямі осі (напрям, зворотний потоку теплоти), °C/м;

Теплопровідність плоскої стінки. Розглянемо однорідну

стінку товщиною (рис.4.21), коефіцієнт теплопровідності якої сталий і дорівнює .Температура змінюється лише у напрямі осі

, а ізотермічні поверхні розташовуються перпендикулярно до

цієї осі. На зовнішніх поверхнях підтримуються температури .

Виділимо на відстані шар завтовшки , обмежений двома ізотермічними поверхнями. Тоді на підставі закону Фур'є питомий тепловий потік для цього шару буде або .

В результаті інтегрування цього рівняння дістанемо

.

Рис. 4.21. Схема теплопровідності

Сталу інтегрування С визначають з рівняння при , ,

Звідки . Оскільки при то

З цього рівняння визначають питомий тепловий потік

.

відношення називають теплопровідністю стінки, а обернену

їй величину — тепловим або термічним опором стінки.

Термічний опір багатошарової стінки, тобто стінки з кількох різнорідних шарів, дорівнює сумі термічних опорів окремих шарів

(4.22)

Конвективний теплообмін. У рідких середовищах і газах теп­ло переноситься в основному за рахунок конвекції (переміщення) частинок, тому і процес теплоти обміну між рідиною і стінкою на-

зивають конвективним теплообміном. Під час конвективного теплообміну тепло передається від поверхні твердого тіла до ріди­ни через пограничний шар за рахунок теплопровідності, і від по­граничного шару в масу (ядро) рідини переважно конвекцією. На величину переданого теплоти дуже впливає характер руху рідини.

За природою виникнення розрізняють два види руху рідини: вільний і примусовий.

Вільний рух рідини або природна конвекція виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних частинок рідини, тобто під дією внутрішніх сил.

Примусовий рух рідини виникає під дією зовнішніх сил (насо­са, вентилятора).

При малих швидкостях руху утворюється струминний харак­тер течії (ламінарний режим), а при значних — невпорядковано-вихровий (турбулентний) режим. Проте у пограничному шарі біля стінки каналу ламінарний режим течії зберігається і для тур­булентного режиму. У випадку турбулентного руху рідини теп­лообмін відбувається значно інтенсивніше, ніж при ламінарному.

Закон Ньютона. Основним законом конвективного теплообмі­ну є закон Ньютона, за яким кількість теплоти Q, що передана про­тягом одиниці часу від теплообмінної поверхні навколишньому се­редовищу або, навпаки, навколишнім середовищем теплообмінній поверхні, прямо пропорційна поверхні теплообміну F і різниці температур між поверхнею стінки

і навколишнім середовищем t

(4.23)

де а — коефіцієнт тепловіддачі, що визначає інтенсивність про­цесу, Вт/( °С).

Коефіцієнт тепловіддачі показує, яка кількість теплоти пере­дається протягом одиниці часу через одиницю теплообмінної по­верхні при різниці між температурами поверхні і навколишнього середовища (рідини або газу) 1°С.

Визначення коефіцієнта тепловіддачі пов'язане із значними труднощами, оскільки він залежить від багатьох факторів: режи­му і швидкості руху рідини, фізичних параметрів рідини, форми і розмірів теплообмінної поверхні. Тому, вивчаючи теплообмін, основну увагу приділяють визначенню коефіцієнта тепловіддачі.

Тепловіддача при вимушеній конвекції. Інтенсивність теп­ловіддачі при вимушеному русі залежить від характеру самого руху. У випадку розвиненого турбулентного руху в трубах і кана-

лах {Re > 10 000) розрахункове критеріальне рівняння для визна­чення коефіцієнта тепловіддачі має вигляд

(4,24)

Для критеріїв Nu, Re і Рг за визначальну температуру зазвичай

беруть середню температуру рідини, а для критерію - - температуру стінки. За лінійні розміри в критеріях Nu і ке оеруть внутрішній діаметр труби або еквівалентний діаметр каналу. Вплив напряму теплового потоку враховується відношенням .

Тепловіддача при вільній конвекції. Загальна формула для обчислення середнього коефіцієнта тепловіддачі при визначальній температурі, яка дорівнює середній температурі пограничного шару

,

де t — температура теплоносія в ядрі, має вигляд