1. Úol měření Úolem měření na rotorové (Müllerově) odparce je sestavit energeticou a látovou bilanci celého zařízení a stanovit součinitele prostupu tepla odpary a ondenzátoru brýdových par.. Popis zařízení Měření se provádí na rotorové odparce švýcarsé firmy LUWA, typ 80/0.15, terá má následující parametry: odpařovací výon 0 g/hod. odpařené vody vnitřní průměr odpařovacího tělesa 80 mm déla teplosměnné plochy 480 mm veliost teplosměnné plochy 0,15 m otáčy rotoru 1000, 1500, 000 min -1 mezera mezi stěnou a rotorem 1 mm Maximální tloušťa filmu je závislá na otáčách rotoru, visozitě zahušťované apaliny, veliostí nástřiu a na tepelném zatížení plochy. Obr. 1 Těleso odpary Těleso odpary je v řezu schematicy znázorněno na obr.1. Je tvořeno svislou odpařovací trubou 1, terá je opatřena topným pláštěm. Topný plášť umožňuje vytápět odparu ja parou, ta horou apalinou. Zpracovávaná apalina je do odpary přiváděna potrubím 3. Lopaty rotoru 4 roztírají apalinu v tený film, terý šroubovitě stéá po topné ploše. Brýdová pára prochází prostorem mezi lopatami rotoru do horní části odpary, ve teré je umístěn odlučovač ape ve tvaru lopatové mříže. Brýdová pára tato zbavená stržených ape odchází brýdovým análem 10 do brýdového ondenzátoru. Rotor je uložen v ložisu 6 a v grafitovém patním ložisu 7. Ložiso 6 je chlazeno vodou a patní ložiso 7 stéajícím zahuštěným roztoem. Zahuštěná apalina vystupuje z dolní části odpary uželovým hrdlem do sběrných nádob. Schéma celé odpařovací stanice je na obrázu. Ze zásobníu 7 je zpracovávaný rozto čerpán zubovým čerpadlem 5 a je tangenciálně nastřiován do horní části tělesa odpary. Nastřiované množství lze v určitých mezích měnit změnou otáče čerpadla poháněného přes 1
variátor. Zahuštěný rozto se hromadí ve sběrných nádobách umístěných pod odpařovacím tělesem. Brýdové páry jsou odváděny brýdovým potrubím do ondenzátoru a jao brýdový ondenzát jsou jímány do sběrných nádob, umístěných pod ondenzátorem. Obr. - Odpařovací stanice Odpara je vytápěna topnou parou, terá je odebírána z centrálního rozvodu a reduována redučním ventilem z tlau 0,7 MPa na požadované parametry. Parní ondenzát je odváděn ze spodní části topného pláště přes filtr a proudový odvaděč ondenzátu do podchlazovače 3. V něm je parní ondenzát ochlazován pod teplotu varu při atmosféricém tlau. Celá stanice je napojena na vauový rozvod, umožňující nastavit potřebné pracovní parametry na straně zpracovávaného roztou. Požadovaného pracovního vaua se dosáhne pomocí vodoružných vývěv, teré odsávají plyny z ondenzátoru přes předlohu 4. Šoupátem umístěným v předloze lze přisáváním atmosféricého vzduchu regulovat tla v pracovním prostoru odpařovací stanice.
3. Teoreticé zálady měření Vyjděme ze záladní rovnice pro množství tepla předané ve výměníu: & (1) = S t str Teplo & přivedené do odpary, potřebné odpaření daného množství vody se sládá z těchto slože: - teplo ohřátí přivedeného roztou na teplotu varu - výparné teplo přeměně apalného supenství na plynné - zahušťovací teplo - rystalizační teplo pro vytvoření rystalů (jsou-li tomu předpolady) - teplo e rytí ztrát prouděním a sáláním do oolí. Z výše uvedených polože je daleo největší výparné teplo. Zahušťovací a rystalizační teplo má pro aždý rozto i oncentraci jiné hodnoty, teré mohou být zjištěny v i - ξ nebo v i - x diagramech, poud jsou pro daný rozto dispozici. S ohledem na jejich veliost vša nemají ve většině případů rozhodující význam a mohou být zahrnuty do tepla e rytí ztrát. Součinitel prostupu tepla je nejobtížněji stanovitelná veličina, terá má velmi individuální charater. Souvisí s tepelnými poměry, fyziálními vlastnostmi a geometricým uspořádáním vlastního teplosměnného aparátu. U tohoto typu odpare jsou poměry při přestupu tepla ompliované, protože romě uvedených vlivů přistupuje vliv poměrů při proudění v částečně až úplně stíraném filmu. Na proudění má v prvé řadě vliv typ lopate; rotor s pevnými lopatami probíhajícími v jisté vzdálenosti od povrchu topné plochy vytváří odlišné poměry, než rotory s lopatami yvadlovými, přitlačovanými e stěně odstředivou silou nebo pružinami. Další vliv má i obvodová rychlost lopate. Bubliny vzniající páry se lépe uvolňují, neboť film roztou stéajícího šroubovitě po stěně, je lopatami intenzívně promícháván, v něterých případech až do laminární podvrstvy. Poměry při varu lze vyjádřit jen empiricými vztahy, odvozenými z hodnot zísaných experimentálně. Je zřejmé, že součinitel přestupu tepla ze stěny do míchaného filmu závisí hlavně na jednotovém tepelném tou, hmotovém průtou apaliny (nástřiu) a obvodové rychlosti lopate. Odpary typu Müller mají rotor s pevnými lopatami. Mezi jejich orajem a topnou plochou je vůle (0,5-3) mm daná doonalostí uložení rotoru, valitou povrchu topné plochy, jejím průměrem a délou. Proto má var v této odparce charater varu při turbulentním proudění, z čehož vyplývají následující sutečnosti : a) Součinitel přestupu tepla ze stěny do míchaného roztou (α ) značně závisí na jednotovém tepelném tou q. b) Tento součinitel se zvětšuje se zvyšujícím se nástřiem až určité mezi, dy se tloušťa filmu blíží tloušťce filmu při volném stéání. Dále již α neroste, protože silnější vrstvu stírá míchadlo. 3
c) Vliv otáče rotoru se zprvu projevuje mírným, asi 10% zvýšením součinitele α až obvodové rychlosti u = 7 8 m/s. Pa již neroste. Hodnoty α při varu vody se pro jednotový tepelný to q = (50 00).10 3 W.m - pohybují v rozmezí α = (4 500 9 500) W.m -.K -1. Celový součinitel prostupu tepla pro tyto případy vytápění parou lze pro zahušťování vodních roztoů uvést směrnou hodnotou 000 W.m -.K -1. Oddělení odpare VÚChZ Brno, teré se zabývá výzumem tohoto typu rotorových odpare, doporučuje pro výpočet součinitele přestupu tepla na straně roztou vztah: 4 0,887 0,7 Nu = 7,4.10 Re Fr Pr 1,606 () terý platí pro následující rozsahy ritérií : Re = 43 541 Pr = 10,78 16,10 Fr = 0,95 3,81 de Nu α b L =, λ c p µ Pr =, λ 4G Re =, πdµ Fr = n D g Střední teplotní diference t stř je teoreticy dána rozdílem mezi střední teplotou topného média a teplotou varu roztou. Topíme-li sytou parou, je střední teplota na straně páry onstantní a je funcí tlau. Účinná teplotní diference t stř mezi ondenzující parou a vroucím roztoem je vždy nižší než ja by vyplývalo z tlaů v obou prostorech. Snížení je způsobeno následujícími příčinami - depresemi. a) Fyziálně - chemicá teplotní deprese. Je-li v apalině (složa A) rozpuštěna pevná láta (složa B), je napětí par nad roztoem nižší a je podle Raoultova záona dána vztahem p A = p 0 x (3) A A Protože molový zlome x A je menší než 1 a to tím menší, čím je vyšší oncentrace složy B o v roztou, je dosažení varu třeba zvýšit teplotu a tím i tla p A čisté složy (rozpouštědla). Brýdová pára, terá přitom vzniá, má těsně nad hladinou teplotu stejnou jao má vroucí rozto. V porovnání s parou vznilou z čistého rozpouštědla je vzhledem vyššímu bodu varu roztou přehřátá. Přehřátí mizí již v malé vzdálenosti od povrchu vroucí apaliny v důsledu odvedení tepla přehřátí a teplota brýdové páry lesne na bod varu čistého rozpouštědla, odpovídající příslušnému tlau. Např. nasycený rozto uchyňsé soli (6 % NaCl) vře při normálním tlau (101,35 Pa) při teplotě 110 o C. Teploměr umístěný v brýdovém prostoru dále od varných trube uáže vša jen 100 o C. Označíme-li teplotu brýdové páry t b a teplotu varu roztou t, je tento poles - fyziálně -chemicá deprese - vyjádřena vztahem : 4
1 = t t b (4) Zvýšení bodu varu roztou je různé pro různé láty i oncentrace. Čím menší je moleulová váha rozpouštěné láty, tím je zpravidla zvýšení větší. S rostoucí oncentrací se rovněž zvyšuje. b) Hydrostaticá teplotní deprese Tato deprese připadá v úvahu pouze v případě, je-li v aparátě vyšší sloupec apaliny. Potom je u dna vyšší tla apaliny než u hladiny a v důsledu toho v nižších polohách vře rozto při vyšší teplotě. Vzhledem malé délce odpary a dále vzhledem tomu, že odpařování probíhá v tené vrstvě můžeme v našem případě hydrostaticou depresi, označovanou, zanedbat. c) Hydrodynamicá teplotní deprese. Tato deprese vzniá při proudění brýd potrubím dalšímu tělesu nebo ondenzátoru. Hydraulicé odpory způsobují mírnou ztrátu tlau, jejímuž vyrovnání musí být dodána energie. K dodání této energie je potřeba zvýšit teplotu varu. Tím vzniá hydrodynamicá deprese 3. Při výpočtu se tato deprese respetuje empiricou hodnotou 1 o C pro potrubí mezi dvěma stupni a mezi posledním stupněm a ondenzátorem. 4. Bilancování zařízení 4.1 Bilance odpařovacího tělesa. G 3 i 3 G p i p G 1 c 1 t 1 G c t G c t z Bilance na straně topné páry: Teplo přivedené topnou parou: & 1, (5) = G& i G& p p c t de G p hmotnostní to topné páry, G hmotnostní to ondenzátu ; G p = G, i p entalpie topné páry ; z parních tabule, c měrná tepelná apacita ondenzátu ; c = 4,18 J.g -1.K -1, t teplota ondenzátu. 5
Bilance na straně zpracovávaného roztou: Teplo předané na straně zpracovávaného roztou: &, (6) = & & & G3 i3 + G c t G1 c1 t1 de G 1 - hmotnostní to nezahuštěného roztou, G - hmotnostní to zahuštěného roztou, G 3 - hmotnostní to brýd ; G 3 = G 4, G 4- hmotnostní to odpařené vody ze zahušťovaného roztou ; G 1 = G + G 4, i 3 entalpie brýdových par ; z parních tabule, c 1 měrná tepelná apacita nezahuštěného roztou ; stanoveno alorimetricy, c měrná tepelná apacita zahuštěného roztou ; stanoveno alorimetricy. t p t t 1 t 3 t Průběh teplot v odparce Ztráty odpařovacího tělesa do oolí Ztráty odpařovacího tělesa do oolí jsou přibližně & z & 1 & = (7) Součinitel prostupu tepla v odparce: odp = S & t odp, (8) de t teplotní diference v odpařovacím tělese ; t = t p - t 3, S odp teplosměnná plocha odpary; (proměřovaná odpara LUWA S odp = 0,15 m ). t 3 - teplota varu rozpouštědla při daném tlau. 6
4. Bilance ondenzátoru G 3 i 3 G v c v t v1 G 4 c 4 t 4 G v c v t v Průběh teplot v ondenzátoru t 3 δ 1 δ t v t v1 t 4 δ = t t 1 3 v1 δ = t3 tv δ δ1 t str = ln( δ δ1) Bilance na straně brýdových par: Teplo přivedené brýdovou parou se vypočte dle vztahu: &, (9) = & & 3 G3 i3 G4 c4 t4 de G 3 hmotnostní to brýdových par, G 4 hmotnostní to ondenzátu brýdových par, i 3 entalpie brýdových par na vstupu do ondenzátoru ; z parních tabule pro teplotu t 3 = t 3-3 (teplota brýdové páry na výstupu z odpary zmenšené o hydrodynamicou depresi.) c 4 měrná tepelná apacita ondenzátu brýdových par, stanoveno alorimetricy, t 4 teplota ondenzátu brýdových par. Bilance na straně chladící vody: Teplo odvedené chladící vodou: = G & c ( t t ) &, (10) 4 v v v v1 de G v hmotnostní to chladící vody, c v měrná tepelná apacita chladící vody ; c v = 4.18 J. g -1. K -1, t v1 teplota chladící vody na vstupu do ondenzátoru, t v teplota chladící vody na výstupu z ondenzátoru. Pozn. Kontrola: 3 = 4. 7
Součinitel prostupu tepla v ondenzátoru: S t = 4 & (11) str de t str střední teplotní diference v ondenzátoru, S teplosměnná plocha ondenzátoru ; (proměřovaná odpara LUWA S = 1 m ). 5. Uvedení odpary do provozu a vlastní měření Existují obecné zásady pro spouštění taovýchto zařízení. Zapínáme postupně v následujícím pořadí: chlazení (ondenzátor, dochlazovač parního ondenzátu, chlazení horního ložisa odpary), vývěvy, rotor, nástři suroviny a naonec topnou páru. Vyrovnání teplot u tohoto zařízení nastává nejdříve za 30 minut po nastavení parametrů! Po ustálení teplot začínáme měřit. Pro jedno nastavení parametrů probíhá měření alespoň 1 hodinu. Odečítání všech hodnot se provádí v desetiminutových intervalech. Odečtené hodnoty se zapisují do tabuly - viz bod 8. Tabula naměřených hodnot. Vyhodnocení naměřených hodnot provádíme výpočtem podle rovnic (5) až (11). Vlastní referát bude obsahovat: 1. Zadání. Jednoduché schéma a stručný popis zařízení 3. Tabuly naměřených hodnot 4. Bilanční výpočty a výpočet součinitelů prostupu tepla 5. Stručné zhodnocení měření a vlastní připomíny průběhu měření. 6. Seznam symbolů a označení b - tloušťa vrstvy apaliny [m] c - měrná tepelná apacita [J. g -1. K -1 ] D - průměr rotoru [m] G - hmotnostní průto [g. s -1 ] i - entalpie [J.g -1 ] - součinitel prostupu tepla [W. m -. K -1 ] n - otáčy rotoru [min -1 ] p - tla [Pa] - tepelný to (tepelný výon) [W] q - hustota tepelného tou (jednotový tepelný to) [W. m - ] S - teplosměnná plocha [m ] t - teplota [ o C] x - oncentrace [1] 8
Řecé symboly α - součinitel přestupu tepla [W. m -. K -1 ] - teplotní deprese [ o C] δ - teplotní diference [ o C] λ - tepelná vodivost [W. m -1.K -1 ] µ - dynamicá visosita [Pa.s] 7. Doporučená literatura Zvoníče J.: Odpary. Sriptum ČVUT FSI, Vydavatelství ČVUT Praha, 1973 Perry J.: Chemical Engineers Handboo. Mc Graw-Hill, New Yor 1963 Pilař A.: Chemicé inženýrství II - operace výměny tepla. SNTL Praha 1964 8. Tabula naměřených hodnot čas produt topná pára chladící voda t 1 t t 3 t 4 p 3 G G 4 t p p p t G t v1 t v G v [min] [ o C] [ o C] [ o C] [ o C] [torr] [g] [g] [ o C] [MPa] [ o C] [g] [ o C] [ o C] [g] 9