Вы здесь

Обгрунтування режимних характеристик виморожуючих установок для опріснення та очищення природної і промислової вод

Автор: 
Євдокимова Оксана Олександрівна
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2007
Артикул:
3407U004855
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССов блочного вымораживания воды из солевых растворов
Для проектирования промышленных блочных вымораживателей необходимо создать
методику расчета такого аппарата. Важным является рассмотрение вопроса,
связанного с моделированием процессов, происходящих при блочном вымораживании
воды из солевых растворов.
2.1. Физическая модель процесса
Физическая модель процесса блочного вымораживания воды из солевых растворов в
условиях естественной конвекции в растворе представлена на рис. 2.1 [145].
Физическая модель процесса блочного вымораживания солевых растворов при
механическом перемешивании раствора представлена на рис. 2.2.
Основными структурными элементами физической модели являются: кристаллизатор -
1; блок льда - 2; раствор - 3; емкость для раствора - 4; холодильная машина -
5, мешалка - 6.
Процесс блочного вымораживания воды из солевого раствора заключается в том, что
раствор с начальной массой mн.р-ра (кг), массовой долей растворенных веществ
щн.р-ра (%), температурой tн.р-ра (єС) и энтальпией iн.р-ра (кДж/кг) помещается
в емкость для раствора. Параметрами емкости являются: диаметр
dе. (м) и высота hе. (м). Емкость для раствора покрыта слоем изоляции с
толщиной ди. (м). Затем в эту емкость с раствором помещается кристаллизатор с
диаметром dк. (м) и высотой hк. (м) и толщиной стенки дк. (м). Параметрами
холодного потока являются: начальный (Gн.хл) и конечный (Gк.хл) массовый
расход; начальная iн.хл. (кДж/кг) и конечная iк.хл. (кДж/кг) энтальпия;
температурный режим (tхл.) и давление (Рхл.). В результате вымораживания воды
на поверхности кристаллизатора образуется блок льда с массой mльда.t (кг),
общим солесодержанием щльда.t (%) и энтальпией iльда (кДж/кг). В конце процесса
в емкости остается часть не вымороженного раствора с конечной массовой долей
растворенных веществ щк.р-ра (%) и массой mк.р-ра (кг), а также конечной
температурой
tк.р-ра (єС) и энтальпией iк.р-ра (кДж/кг).
Если процесс вымораживания осуществляется в условиях механического
перемешивания раствора, то в модели необходимо учесть конструктивные параметры
перемешивающего устройства (диаметр мешалки dм., м) и вносимую им в раствор
теплоту Qпер..(Дж).
На основании рассмотренной физической модели составим балансовые уравнения,
необходимые для расчета параметров этой модели.
2.2. Балансовые уравнения
Математически физическую модель можно описать балансовыми уравнениями [145]:
– уравнением материального баланса:
; (2.1)
– уравнением материального баланса по сухим веществам:
; (2.2)
– уравнением теплового баланса:
, (2.3)
где .– количество тепла, идущее на охлаждение раствора до криоскопической
температуры, Дж;
– количество тепла, выделяющееся в процессе кристаллизации воды из солевого
раствора, Дж;
– количество тепла, отводимое от блока льда в процессе его охлаждения ниже
криоскопической температуры, Дж;
– количество тепла, отводимое от поверхностей кристаллизатора, емкости для
раствора и изоляции в процессе их охлаждения, Дж;
– тепло, идущее на компенсацию потерь при оттайке ледяного блока, Дж;
– потери тепла в окружающую среду, Дж;
– вносимая в раствор величина диссипации механической
энергии, Дж.
Количество тепла, отведенное от раствора в процессе его охлаждения до
криоскопической температуры, определяется по уравнению:
, (2.4)
где – удельная теплоемкость исходного раствора при постоянном давлении,
Дж/(кг·К);
– температура теплопередающей поверхности, К.
Количество тепла, выделяющееся в процессе кристаллизации воды из солевого
раствора, определяется
, (2.5)
где – скрытая теплота фазового перехода, Дж/кг.
Количество тепла, отводимое от блока льда в процессе его охлаждения ниже
криоскопической температуры, определяется из уравнения:
, (2.6)
где – удельная теплоемкость блока льда при постоянном давлении, Дж/(кг·К);
– температура холодоносителя, К.
Количество тепла, отводимое от поверхностей кристаллизатора, емкости для
раствора и изоляции в процессе их охлаждения, определяется по уравнению:
, (2.7)
где , , – масса материала кристаллизатора, емкости для раствора и изоляции
соответственно, кг;
, , – удельная теплоемкость материала кристаллизатора, емкости для раствора и
изоляции при постоянном давлении, Дж/(кг·К);
, ,– начальные температуры материала кристаллизатора, емкости для раствора и
изоляции, К;
, – конечные температуры материала кристаллизатора, емкости для раствора и
изоляции, К;
Тепло, идущее на компенсацию потерь при оттайке ледяного блока
. (2.8)
Потери тепла в окружающую среду при условии естественной конвекции в растворе,
рассчитывается из уравнения:
. (2.9)
Количество теплоты, отнимаемое от материала перемешивающего устройства,
рассчитывается по уравнению:
, (2.10)
где – масса материала мешалки, кг;
– удельная теплоемкость материала мешалки при постоянном давлении, Дж/(кг·К);
, – начальная и конечная температуры материала мешалки, К.
Потери тепла в окружающую среду при механическом перемешивании раствора,
рассчитывается из уравнения:
. (2.11)
Суммарное количество полезной теплоты отводимой из системы за время процесса
определяется по уравнению:
. (2.12)
Суммарные потери теплоты за время процесса, определяется из уравнения:
. (2.13)
Тогда общий тепловой баланс аппарата можно представить в следующем виде:
. (2.14)
2.3. Моделирование процессов тепло и массопереноса в аппарате при вымораживании
воды из солевых растворов
Блочное вымораживание воды из растворов, в том числе и солевых, является
сложным процессом. Здесь перенос теплоты и массы сопровождается фазовыми
превращениями компонентов раствора и движением фронта кристаллизации.
2.3.1. Условия для составлени