Перемешиваем воду с воздухом

Пневматическое перемешивание

Плюсы и минусы пневматического перемешивания.

Плюсы:

1. Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом используют, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки.
2. Надежность конструкции, т.к. нет движущихся механизмов.
3. Простота обслуживания (по сравнению с механическими мешалками).
4. Низкая стоимость (по сравнению с механическими мешалками).

Минусы:

1. Процесс пневматического перемешивания является малоинтенисивным процессом, в связи с этим расход энергии при перемешивании сжатым газом или воздухом значительно больше, чем при механическом перемешивании.
2. Пневматическое перемешивание не применим для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта.
3. Перемешивание воздухом может сопровождаться окислением или осмолением веществ.
4. Наличие пневматической линии (если перемешивание происходит при помощи воздуха).
5. Дополнительные расходы на приобретение инертного газа и на оборудование для работы с инертными газами.

Виды пневматического перемешивания.

Выделяют два вида устройств, которые устанавливают в аппараты:

1. барботер;
2. центральная циркуляционная труба.

Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости.

При циркуляционном перемешивании (эрлифтовом) газ подают в циркуляционную трубу. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стеками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости.

Источник

Процессы тепло- и влагообмена между водой и воздухом

Процесс увлажнения или осушки, а также охлаждения или нагревания воздуха можно осуществить, вводя его в контакт с водой. Для этого воздух пропускают через камеры орошения, в которых разбрызгивается вода, или продувают через пористые слои либо оребренные поверхности, орошаемые водой.

Если температура воды в период соприкосновения остается ниже температуры росы входящего в камеру воздуха, то происходит его осушка; если температура воды выше точки росы, то происходит увлажнение.

Процессы осушки воздуха водой сопровождаются его охлаждением, процессы же увлажнения могут сопровождаться охлаждением или нагреванием воздуха в зависимости от температуры воды.

Граничный (переходный) тонкий слой между водой и воздухом состоит из молекул воды и воздуха. В результате их перемешивания в этом тонком слое образуется насыщенный парами воды воздух, а его температура равна температуре воды. Состояние воздуха в этом слое можно определить по температуре воды, считая его относительную влажность φ равной 100 %. Поэтому процесс тепло- и влагообмена воздухом и водой можно рассматривать в i-d-диаграмме как процесс смешения воздуха данного состояния с насыщенными воздухом при температуре воды.

Если точка А- начальное состояние воздуха, а t_w — температура воды, то состояние насыщенного воздуха, (граничного слоя) находят в i-d-диаграмме на пересечении изотермы t_w-const с кривой φ=100%, т.е. в точке Б (рисунок 3.1), и процесс смешивания изобразится прямой А-Б.

Рисунок 3.1 – Изображение на i-d-диаграмме процесса смешивания воздуха с насыщенным воздухом граничного слоя

Положение точки смеси на прямой зависит от площади поверхности теплообмена, продолжительности контакта, параметров воздуха и воды, их количества. В расчетах используют так называемый коэффициент орошения μ, кг/кг, который равен количеству (в кг) разбрызгиваемой воды W на 1 кг воздуха G, т.е. (3.1)

Обычно принимается, что точка смеси, определяющая параметры воздуха после орошения, устойчиво может находиться на линии φ=90-95%.

При теплообмене температура воды несколько изменяется и для построения процесса принимается некоторая промежуточная температура.

Если вода будет циркулировать по замкнутому циклу, т.е. ей не сообщается и не отводится теплота, то температура воды будет стремиться к некоторой постоянной величине, называемой пределом охлаждения, после него температура воды остается неизменной.

Эта температура может быть найдена на i-d диаграмме, если из точки А, выражающей первоначальное состояние воздуха (рисунок 3.1) провести линию I-const до пересечения с φ=100% в точке С. Тогда изотерма, проведенная из этой точки, покажет искомую установившуюся температуру воды _уст. Эту температуру еще называют равновесной, т.е. одинаковой с температурой воздуха.

Наиболее характерные случаи изменения состояния воздуха при контакте с водой представлены на рисунке 3.2

Начальное состояние воздуха на i-d диаграмме обозначено точкой А

Рисунок 3.2 – Изображение на i-d диаграмме процессов тепло- и влагообмена с водой при различных температурах

При контакте воздуха с водой, имеющей температуру больше температуры воздуха (t_w>t_A), происходит увлажнение и нагрев воздуха (А-1). Испарение воды осуществляется целиком за счет ее собственной энтальпии (т.е. теплота, необходимая для испарения, берется от самой воды, вследствие чего вода охлаждается).

При температуре воды равной температуре воздуха (t_w=t_A) воздух увлажняется не изменяя своей температуры (А-2). На испарение расходуется теплота воды.

При температуре воды в точке 3 ниже температуры воздуха, но выше температуры мокрого термометра (t_мA

Если температура воды равна температуре точки росы (t_w=t_рА, точка 6), происходит охлаждение воздуха при постоянном влагосодержании (А-6).

При температуре воды ниже температуры точки росы (t_w 0 С;

с_w – удельная массовая теплоемкость воды, кДж/(кг ºС).

Уравнение можно представить в виде:

; (3.3)

т.к. то i_H-i_K=μ·с_w(t_WK-t_WH) (3.4)

или . (3.5)

Задача 3.1. Через камеру орошения, в которой разбрызгивается вода, проходит воздух с температурой t и относительной влажностью φ (таблица 3.1). Определить температуру воды t_Wуст., установившуюся в процессе тепло- и влагообмена с воздухом.

Таблица 3.1 – Исходные данные к задаче 3.1

Вариант

t, о С

φ, %

Вариант

t, о С

φ, %

Пример. t=30 0 , φ=40 %

Решение. На i-d диаграмме строим точку, соответствующую состоянию воздуха. Из полученной точки по i-const опускаемся до пересечения с φ=100 %. Изотерма, проведенная из этой точки, и есть установившаяся температура воды. t_{w уст.}=20 0 С.

Задача 3.2. В камеру орошения поступает воздух с параметрами t₁ и φ₁ (таблица 3.2). Он орошается рециркулирующей водой, имеющей температуру предела охлаждения t_{w уст.}, и увлажняется до φ₂=90%.

Определить на сколько градусов охлаждается воздух, прошедший обработку в камере орошения.

Таблица 3.2 – Исходные данные к задаче 1.2

Вариант

t1, о С

φ, %

Вариант

t1, о С

φ, %

Решение. На i-d диаграмме строим точку, соответствующую состоянию обрабатываемого воздуха (t₁=28 0 , φ₁=40 %). Из полученной точки по 1-const опускаемся до пересечения с φ₂=90 %. Изотерма этой точки – это температура предела охлаждения t_{w уст.}=19,5 0 С. Следовательно, воздух охладится на 28-19.5=8,5ºС.

Задача 3.3. Воздух в количестве G с параметрами t₁, d₁ (таблица 3.3) увлажняется в адиабатной камере орошения (без подвода и отвода теплоты ) оборотной рециркуляционной водой до φ=95%.

Определить параметры увлажненного воздуха t₂ и d₂, количество испарившейся воды W, которую надо добавлять в оборотный цикл, и температуру мокрого термометра t_м.

Таблица 3.3 – Исходные данные к задаче 3.3

Вариант
G, кг/ч
t1,ºС
d1,г/кг	1,5	1,5	1,2	1,5

2,4

3,5

2,5

2,5

1,5

Пример. G=21800 ; t₁=22ºC, d₁=0.8 .

Решение. На i-d диаграмме строим точку 1, соответствующую начальному состоянию обрабатываемого воздуха (рисунок 3.3)

Рисунок 3.3 – К задаче 3.3

Из точки 1 проводим адиабату по i-const до пересечения с φ=95 %.

Получаем точку 2, соответствующую состоянию увлажненного воздуха t₂=8ºC; d₂=6,3 .

Количество испарившейся воды W=G(d₂-d₁),

W=21800(6,3-0,8)=119900 ,

т.е. в оборотный цикл надо добавлять 119,9 воды.

Продолжив прямую 1-2 до пересечения с φ=100%, получим температуру мокрого термометра t_м=7,7ºС.

Задача 3.4. В рабочей зоне помещения необходимо обеспечить t_в, ºС, φ_в, % (таблица 3.4). Приточный воздух, подаваемый в помещение в количестве G_пр, , имеет влагосодержание d_пр, . Увлажнение воздуха в цехе производится путем распыления воды с полным ее испарением.

Определить с какой температурой t_пр должен подаваться приточный воздух и какое количество воды W необходимо разбрызгивать в помещении.

Таблица 3.4 – Исходные данные к задаче 3.4

Ва-ри-ант
tв,˚С
φв,%
Gпр, кг/ч
dпр, г/кг	0,8	2,5	1,5	0,8	2,5	1,5

3,5

0,5

1,5

0,5

0,5

1,5

Пример: t_в=22º, φ_в=70%, G_пр=17600 , d_пр=0,9 .

Решение. При испарении воды в воздух помещения теплосодержание его будет повышаться за счет теплосодержания воды, однако настолько незначительно, что в практических расчетах им пренебрегают и процесс увлажнения воздуха считают адиабатическим.

Наносим на i-d-диаграмму точку В, соответствующую параметрам внутреннего воздуха. От нее проводим адиабату i_в-const до пересечения с d_пр, получаем точку П, соответствующую состоянию приточного воздуха. Температура точки П t_пр=49,4˚.

Количество воды, распыляемой в помещении W=G_пр(d_в-d_п),

W=17600(11.8-0.9)=191900 .

Рисунок 3.4 – К задаче 3.4

Задача 3.5. Воздух в количестве L, , с температурой t₁, ˚С и относительной влажностью φ₁, % (таблица 3.5) обрабатывается в адиабатической камере орошения, в результате чего его температура снижается до t₂ ºC, а относительная влажность увеличивается до φ₂, %.

Температура воды, орошающей воздух, повышается с t_WH=12ºC до t_WK=15ºC.

Определить расход воды на орошение воздуха и коэффициент орошения.

Таблица 3.5 – Исходные данные к задаче 3.5

Вариант
L,
t1,ºС
t2,ºС	21,5	27,5	20,5	21,8
φ1 %
φ2 %

Пример: L=5000 ; t₁=30ºC; φ₁=50%; t₂=23ºC; φ₂=80%; t_WH=12ºC; t_WK=15ºC.

Решение. По заданным значениям t₁ и φ₁ на i-d-диаграмме строим точку 1, соответствующую начальным параметрам обрабатываемого воздуха. По положению точки находим: d₁=13,2 ; i₁=64 .

Аналогично строим точку 2, соответствующую состоянию обработанного воздуха, находим: d₂=14 ; i₂=58,7 .

Плотность обрабатываемого воздуха

; .

Масса обрабатываемого воздуха G=L ;

G=5000·1,165=5825 .

Количество теплоты, потерянной воздухом по формулам (3.2), Q=5825(64-58,7)=30873 .

Рассматривая теплообмен в камере орошения как адиабатический процесс, можем с небольшой погрешностью считать, что вся теплота воздуха передается воде. Тогда расход воды W в камере орошения можно определить по преобразованной формуле (3.2)

.

Коэффициент орошения воздуха водой по формуле (3.5) .

Источник