prenos toplote i mase
TRANSCRIPT
Univerzitet u Novom SaduTehnički fakultet »Mihajlo Pupin«
Zrenjanin
Saobraćajni i transportni sistemi
Predmetni nastavnik: Student:Prof.Dr Dragiša M Tolmač Terkelj Kristina Asistent: 33/06-05Šinik Vladimir
Zrenjanin, 2008/09
PRENOS TOPLOTE I MASE NA AGITACIONOJ KONTAKT – KONVEKTIVNOJ SUŠARI
T. Balaž , M. Erveš, L. Temeši
Odeljenje za procesno inženjerstvo, Fakultet Mašinstva, Univerzitet tehnologije i ekonomije, Budimpešta.
Rezime: Za istraživanje u procesu sušenja farmaceutskih otpadnih fermentacija i za određivanje specifične toplote i koeficijenta za prenos mase konstruisan je jedan potrešen kontakt – konvektivna toplotna sušara. Ova sušara je takođe prikladna za sušenje drugih čvrstih zrna koje imaju visok sadržaj vlage. Stoga smo istražili sušenje nusprodukata iz proizvodnje bio – etanol, proizvodnja se dobro odvila. Probno postrojenje potrešene sušare omogućava kontinualno merenje i akvizicije podataka. Podaci zagrejane zidne temperature, ulaz i izlaz temperature vazduha i vlažnosti, smanjenje mae materijala omogućuje utvrđivanje koeficijenta prenosa toplote i mase konvektivne sušare. Izmenjeni koeficijent prenosa toplote i mase služe kao pravilan parametar za stimulaciju proračuna.
Ključne reči: kontakt – konvektivna sušara, potrešena sušara, isušivanje bio – etanol otpadaka, isušivanje fermentisanog otpada.
UVOD
Bez tretmana otpada, koja sadrže visok nivo vlage: bio – etanol, fermentacionog otpada i nekih poljoprivrednih otpada moraju biti deponovani na specijalno sagrađenom mestu. Od vlage bio – etanolskok otpada – originalno kukuruza – može se iskoristiti za uobičajene proizvode. Sušen fermentacioni otpad može se sagoreti u električnoj posudi.
Za sušenje čvrstih zrnca koje imaju visok sadržaj vlage mogu se koristiti potrešene valjkaste sušare. Da se otkoloni visok nivo vlage mora se koristiti visoko zagrejani fluks. Ovo može da se realizuje u omotaču valjkaste sušare, gde je kontaktna sušara intenzivnija od sagorevanja. Ovakav način sagorevanja može da poboljša proces u cilju ekonomičnosti, u slučajevima kada je otpadna toplota iz nekih drugih može se iskoristiti za zagrevanje omotača.
U slučaju dobro definisnih čvrstih materija, više ili manje uobičajene formule se mogu naći u prirunicama i nekim drugim mestima
za izračunavanje razmene prenosa toplote. Međutim mi treba da sušimo farmaceutsko fermentacioni otpad, koje je prošlo inicijativu materije. Posle otklanjanja otprilike 10 – 15 % vlage, ono postaje čvrsto. Za istraživanje sušenja takvih materija neophodne su laboratorijske analize.
Za eksperimentalno istraživanje procesa sušenja i za utvrđivanje koeficijenta prenosa toplote i mase konstruisan je probni plan potrešene sušare. Ova potrešena sušara dokazuje mogućnost kontinualnog merenja i akvizicije podataka. Akvizicija podataka zagrejane zidne temperature, ulaz i izlaz temperature vazduha i vlažnosti, smanjenje mase matreijala omogućuje utvrđivanje koeficijenta prenosa toplote i mase.
Za opis simultanog prenosa toplote i mase u sušari, konstruisan je matematički model za istraživanje dejstva parametarskih operacija. Model se sastoji od volumatskog koeficijenta prenosa toplote i mase, koje zavise od kontakta između vlažne materije i zagrejane površine, između vlažne materije i toplog vazduha, kao i između vazduha i zagrejane površine.
Merenje koeficijenta specifične toplote i mase dokazuje ulazne parametre za stimulaciju modela.
MATEMATIČKI MODEL
Za modelisanje simulativnog procesa prenosa toplote i mase u potrešenoj kontakt – konvektivnoj sušari, Molnar 2001., za prenos toplote definiše metod uzimajući u obzir prenoseći toplotu iz gasa kao i preko zida do materije koja treba da se suši.
Figura 1. Kratki opis sušare.
Prema figuri 1 dH različite sekcije kontaktne – konvektivne sušare se mogu videti. Pomoću balansa toplotei mase, temperatura i vlaga sušenog gasa kao i temperaturai vlaga materije može se oduzeti. Proširenjem balansa toplotei mase ovog elemenata na ceo valjak, dužina sušare – koja je potrebna da se izvrši sušenje- može se izračunati.
Balans mase za sadržaj vlažnosti sušenog gasa daje:
Brzina sušenja se izražava:
Stoga iz formula (2) i (3) dobija se:
Kontakna površina između gasa i materije, koja treba da se suši:
Varijacija vlažnog gasa po celoj dužine valjka:
Balans toplote za sušeni gas:
Konvektivni i kontakt vrućeg fluxa pretvara površinu materije:
Iz balansa entalpije za gas :
Površinska veza između gasa i zida valjka iz formule (6) :
Varijacija temperature gasa po celoj dužini valjka iz formula (11) i (12):
Iz ove formule temperatura gasa može da se izračuna.
Toplotni balans za materiju (koja treba da se suši):
Površinska veza između zida i materije ako je TF = Tm:
Varijacija temperature po celoj dužini valjka:
Iz jednačine (17) temperatura vrste materije može da se izračunava.
Balans mase za materiju:
Varijacija vlage materije po celoj dužini valjka:
Proširenjem balansa toplote i mase gasa i materije iz sekcije istražuje se ceo valjak, dužina sušare može da se izračuna za dati zadatak.
U formulama (7), (13), (17), (20) specifični koeficijent prenosa toplote uzima u obzir kontakt – konvektivni prenos toplote i različite kontaktne oblasti između gasa – materije – površine zida.
Prema Lewis (Treybal, 1968) za koeficijent prenosa toplote i mase:
gde je Le
z ≈ 1.
Specifični koeficijent prenosa toplote u formuli (13) karakteriše prenos toplote između zagrejanog zida i gasa:
Specifični koeficijent prenosa toplote u formuli (17) karakteriše prenos toplote između zagrejanog zida i materijale:
Jednačine (7), (13), (17), (20), (22) i (23) omogućuje da se razvije računarski model za predstavljanje dužine sušare.
OPIS SUŠARE
Eksperiment sušenja je izvođeno kao probni postrojenje sve dok nije pokazana u figuri 2. Na ovoj šemi sve mere i promenljive prikazani su sibolima. Instrumentacija probnog plana sušare je izgrađena prema standardim instrukcijama.
Centralni deo mehaničkog sistema je valjkasta sušara (1). Ovo je serija potrešene sušare dužine 850 mm, širine 250 m, U forme sušnog prostora prekrivena ravnom pločom. Šema sušare pokazana je na figuri 3. Napajanje je podstaknuto od strane glodalice koja se upravlja ručno (2). Brzina glodalice podešljiva je pomoću varijacije frekventnog kola (SIC -10). Sušeni gas se snabdeva na jednom kraju i spušta se sa drugog kraja, sa vrha. Konstrukcija sušalice omogućava da se izvode eksperimenti, sa konduktivnom ili konvektivnom toplotom ili koristeći obe metode. Na cilindričnom kraju sušenog prostora je sagrađena elektična sušilica (TIC-6).
Figura 2. Oprema probnog postrojenja potrešene valjkaste sušare: (1) valjkasta sušara; (2) menjačka kutija; (3) električni grejač gasa; (4) kompresor; (5) ciklon. (TI-4,7) temperatura sušenog gasa; (FI-2) maseni tok sušenog gasa; (XI-3) vlažnost ulaznog gasa; (TI-5) merenje temperature sušenog
materijala pomoću infracrvenog senzora; (TIC-6) merenje i kontrola temperature zagrejane površine; (TIC-1) merenje i kontrola temperature ulaznog vazduha; (TI-9) merenje temperature izlaznog vazduha; (SIC-10) merenje i kontrola brzine glodalice; (WI-11) merenje redukcije mase.
Figura 3. Šematski prikaz sušilice.
Valjkasta sušara, elekrtomotor i menjačka kutija upravljalju glodalicom, koja je sagrađena u sastavu da visi na dobro osmišljenom mernom sistemu sa natovarenim ćelijama. Kapacitet natovarenih ćelija je 200 kg. Preciznost mernog sistema bolji je 0,2 kg od ostalih. Kapacitet senzora vlažnosti se koristi za merenje reletivne vlažnosti. Različit prenos pritiska se koristi za merenje tečnog gas. Različiti pritisak pre i posle otvora ploče se koristi za izračunavanja toka brzine.Termospoj (TI-4, 7, 9) i infracrveni senzor su korišćeni za merenje temperature. Spoljašnji prečnik termospoja je 2,5 mm. Prečnik korice, savitljivost i poluprečnik je podešen da bude brži u cevima sa tečnim gasom, na površini valjka. Termospojevi mogu biti smešteni u specijalne metalne – adhezije. Sušeni vazduh se zagreva pomoću elekričnog sušača (3). Temperatura sušenog vazduha se kontroliše pomoću termometra (TIC – 1). Volumetrijski tok sušenog gasa razlikuje se od različite frekvencije kompresora. Na početku eksperimenta, sušalica je postavljena po zahtevaim uslovima, np. temperatura, vlažnost i brzina ulaznog sušenog vazduha je konstantna. Merenje temperature, vlažnosti, mase i brzine u svakom trenutku se beleži.
EKSPERIMENT
Esperimenti su bili izvedeni sa fermentisanim otpadom i vlažnim poljem kukuruza po modelu bio – etanolskog proizvoda. Cilj ovih eksperimenata je:
Da se dobiju informacije vezane za ponašanje materije kada se suši
Da se dobije specifični koeficijent prenosa toplote i mase.
Eksperiment 1 je izveden za sušenje fermentisanog otpada sa kontaktnim zidnim grejanjem i konvektivnim tokom vazduha.
Ulazna temperatura vazduha: Tul = 90oC Brzina vazduha: v = 0,73 m s-1
Obrtni broj glodalice: n = 38 min-1
Temperatura zagrejanog zida: Tzid = 90oC
Početna vlaga materije: xin = 0,7 kg vlage/ kg suve materije
Krajnja vlaga materije: xout = 0,15 kg vlage/ kg suve materije
Početni faktor: l = Vm/V = 40 % Zapremina valjka: V = 0,04743 m3
Figura 4. Redukcija mase fermentisanog otpada kroz vreme.
Obična veličina je obično između 0,5 – 3,0 mm.
Figura 4 i 5 pokazuje redukciju mase i temperature kao funkcija vremena . Oprema
probnog postrojenja zahteva da se proces sušenja izvodi samo sa vrelim vazduhom (bez zidnog grejanja). U ovom slučaju prenos toplote i mase se događa između gasa i materije. Za ovaj slučaj, u konstantnom sušenom periodu, prenos toplote od gasa do materije je potrošena za isparavanje.
Eksperiment 2 je izveden samo sa vlažnim poljem kukuruza, sa aplikacijom konvektivnog grejanja sa toplim vazduhom.
Ulazna temperatura vazduha:Tul = 100oC Brzina vazduha: v = 0,63 m s-1
Obrtni broj glodalice: n = 80 min-1
Početna vlaga materije: xin = 0,68 kg vlage/ kg suve materije
Krajnja vlaga materije: xout = 0,144 kg vlage/ kg suve materije
Početni faktor: l = 23 %
Figura 5. Temperatura sušenja za vreme eksperimenta 1: (1) ulazna temperatura gasa i temperatura zagrejanog zida; (2) izlazna temperatura gasa; (3) ulazna površinska temperatura valjka; (4) temperatura sušenog materijala.
Figura 6. Redukcija mase u odnosu na vreme – polje kukuruza.
Redukcija mase i temperature na polje kukuruza za vreme sušenog procesa je pokazana na figuri 6 i 7.
ODREĐIVANJE KOEFICIJENTA PRENOSA SPECIFIČNE TOPLOTE I
MASE
Eksperimenti su izvođeni sa različitim materijama i različitim procesom sušenja. Ovi eksperimenti omogućavaju da se izračunava koeficijent prenosa, np. koeficijent prenosa toplote između zagrejanog zida i materije, koeficijent prenosa toplote između zida i gasa, kao i koeficijent prenosa toplote između gasa i sušenog materijala.
Za određivanje koeficijenta prenosa toplote između gasa i materije koristimo usijan gas i ne koristimo zidno grejanje. Za određivanje koeficijenta prenosa između zida i materije koristimo zidno grejanje, a ne usijani gas.
Prenos toplote između zagrejanog zida i materije
U ovom slučaju uredili smo da se tplota prenosi suštinski samo sa zida, gas ne prenosi toplotu dalje na materiju, i prenos toplote je okarakterisano koeficijentom prenosa toplote sa zida na materiju.
Figura 7. Temperatura u odnosu na vreme – polje kukuruza: (1) ulazna temperatura gasa; (2) izlazna temperatura gasa; (3) temperatura kukuruznog polja.
Zadatak gasa je da odvodi vlagu, koja isparava. U konstantnom vremenskom periodu koeficijent specifične toplote između zida i materije:
Za vreme fermentisanog otpada dobijamo:
Prenos toplote između zagrejanog zida i gasa
U našem eksperimentu tečni gas prilikom sušenja se zagreva pomoću prenosa toplote od zida do gasa:
Iz formule (12) i (25) dobija se:
Za ilustrovani primer koeficijent prenosa specifične toplote između zida i gasa:
Prenos toplote između gasa i materije
Za određivanje koeficijenta prenosa toplote i mase između gasa i materije, koja treba da se suši, proces sušenja je izvođena bez zidnog
grejanja – samo sa vrelim vazduhom. U ovom slučaju, u konstantnom periodu sušenja, prenos toplote od gasa pa do materije završena je isparavanjem:
Proces sušenja u konstantnom sušnom periodu:
Konvektivni koeficijent prenosa toplote sa dodirnom pločom između gasa i materije iz formule (6), (27), (28):
U sličnim okolnostima kao što je prikazano u primeru 1, u konstantnom sušenom periodu, koeficijent prenosa specifične toplote za gas i materiju ( za vreme fermentisanog otpada):
Prema Lewis – analogiji iz formule (21), koeficijent prenosa specifične mase za gas i materiju:
Eksperiment 2 ( za polje kukuruza) je izvođensa sličnim sušenim uslovima kao i eksperiment 1, koristili smo usijani gas, ali bez korišćenja zidnog grejanja. Iz formula (27), (28), (29) koeficijent prenosa specifične toplote za gas i za sušeni materijal, za određeni vremenski period može da se izračuna:
U ovom periodu temperaturska površina za polje kukuruza je konstantna i redukcija mase u funkciji vremena uniformisana.
U sušenom konstantnom periodu (t = 20-40 min)podaci su sledeći:
Srednja temperatura gasa: Tsr = 79oC Temperatura kukuruznog polja: TF =
39oC Period (vreme) ispitivanja: ∆t = 20 min Temperatura toplotnog isparavanja: rF =
2411kj kg-1
Redukcija mase za period ispitivanja: ∆m = 0,743 kg
Zapremina valjka: V = 0,04743 m3
Koeficijent prenosa specifične mase uz pomoć formule (21) između gasa i polje kukuruza:
IZRAČUNAVANJE ALGORITMA
Izračunavanje algoritma razvija se na bazi formula (7), (13), (17), (20) napisao je Molnar 2001.
Koeficijent prenosa toplote i mase razvio se iz eksperimenata ulaznih parametara, koje su izvedene pomoću računanja algoritma iz opisanog matematičkog modela.
Ako je H = 0, dobijemo:
Za sekciju ∆H valjka:Iz jednačine (7) dobija se:
Iz jednačine (13) dobija se:
Figura 8. Varijacija vlage materije i temperature za vreme određivanja dužine sušare: (1) temperatura zagrejanog zida; (2) temperatura gasa; (3) temperatura materije koja treba da se suši; (4) vlažnost materije.
Iz jednačine (20) dobija se:
Iz jednačine (17) dobija se:
Korišćenjem formula (30) – (33) za korist inicijale, na kraju elemenata ∆H, temperaturu i vlagu koju sadrži gas i materijal može da se izračuna:
Kod ponovnog računanja korak po korak da se dostiže vlažnost materijala dužine suare – koja se traži u datom zadatku – može se izračunati. Jednačine su rešene korišćenjem Labview i Exel programa.
Za ilustraciju metoda računanja, u figuru 8, sa primerom fermentisanog otpada može se videti koeficijent prenosa toplote i mase određena u primeru 1.
Početni sadržaj vlage:xin = 0,68 kg kg-1
Završni saržaj vlage:xout = 0,144 kg kg-
1
Početna temperatura sušenog vazduha: Tgin = 90oC
Temperatura zagrejanog vazduha: Tzid= 90oC
Brzina vazduha: v = 0,73 m s-1
Stopa računanja: ΔH = 0,01 m Rezultat računanja: Dužina sušare: H = 2,6 m Izlazna temperatura vazduha:
Tgout=68oC Završna temperatura fermentisanog
otpada:Tmout = 59oC
ZAKLJUČAK
Probno postrojenje valjkaste sušare omogućuje kontinualno merenje i akviziciju podataka za sistem temperature, vlažnosti i redukcije mase materijala, kao i za sušeni gas i zagrejani zid. Iz eksperimenta može se izraziti koeficijent prenosa specifične toplote i mase, koja je pogodna da se uverimo u odgovarajuće ulazne parametre za konstruisanje matematičkog modela. Matematički model i algoritam računanja omogućava izražavanje dužinu sušare za dati slučaj.
NOMENKLATURA
a specifična površina A prenos toplote, Aq površina preseka krstac specifična toplotaF površinak ukupni koeficijent prenosa toplotel loading faktorm masa
specifična masan obrtajr toplota isparavanjaR toplota otprnostis debljina zida
t vremex sadržaj vlage u materijiy apsolutna vlažnost valjkaV zapremina valjkav brzina vazduha
Grčki simboliα koeficijent prenosa toploteσ koeficijent prenosa maseλ toplotna provodljivostρ gustinaαg-mag-m koeficijent prenosa specifične toplote između gasa i materijeαg-mag-m koeficijent prenosa specifične mase između gasa i materijeαf-maf-m koeficijent prenosa specifične toplote između zida i materijeαf-maf-m koeficijent prenosa specifične toplote između zida i gasa
Potpisc izvancr kritičnict konvektivand suvof unutrašnja površina valjkaF površinag sušeni gasin početnom materijaout krajnjip konstantan pritisak0 na 0oCsat zasićenv paraw vodawa vlažan vazduhwall zagrejani zidwm vlažna materijaWG vodena para
LITERATURA
PRIZNANICEMolnár, K., Örvös , M. and Prekly, L., 2001, Sizing method for drum dryers in waste conversion technologies. Energiagazdálkodás, 42: 4–8 (In Hungarian).Treybal, R.E., 1968, Mass-Transfer Operations, 2nd edition, 38–77 (McGraw-Hill, New York, USA).Tsotsas, E., 1997, Wärmeübergang von einer Heizfläche anruhende oder mechanisch durchmischte Schüttungen. Section Mg of VDI-Wärmeatlas, 8th ed., (Springer, Berlin, Germany).
Ovaj istraživački rad je podržan od starne Mađarskog Naučno Istraživačkog Centra (Projektni broj T 37493 i 46745).
Rukopis je primljen 19. Marta 2007 godine i prihvaćen za izdavanje posle revizije 27 Juna 2007 godine.
Tsotsas, E., Kwapinska, M. and Saage, G., 2006, Modelling of contact dryers, 15th Int Drying Symposium, Budapest, Hungary, 29–43.