Тепловые расчеты технологической схемы переработки полимерных материалов методом экструзии.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить алгоритм составления теплового баланса технологических процессов.

Оборудование: экструдер, термометр ртутный, пирометр, мерный стакан, весы аналитические, секундомер.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Под технологическим балансом понимают результаты расчетов, выраженные в виде уравнений, таблиц или диаграмм, отражающих количество введенных и полученных в производственном процессе материалов и энергии (их приход и расход).

В основе составления энергетических балансов лежат законы сохранения энергии. В каждом тепловом балансе должны быть равны количества введенной тепловой или элект ческой энергии и количества выведенной с продуктами и отходами энергии. Энергетические балансы имеют большое; значение для анализа и оценки правильности и целесообразна осуществления производственного процесса в условиях промышленности. С их помощью устанавливают удельное значение выходов продукции, расходов и потерь сырья: топлива и других материалов, коэффициентов полезного действия энергии. Балансы используют для определения размеров аппаратуры, ее мощности и производительности, интенсивности процессов. Балансы отражают условия эксплуатации и степень совершенства соответствующих процессов — размеры потерь или количества неиспользуемых материалов и энергии.

Балансы весьма важны для составления рациональных схем производства и установления оптимальных размеров аппаратуры — при проектировании новых и улучшении работы существующих предприятий.

Энергетический или тепловой баланс может быть в общем виде выражен уравнением:

Q_ф + Q_э + Q_в = Q_ф^΄ + Q_п,

где Q_ф — физическое тепло, введенное в процесс с исходными веществами; Q_э — тепло экзотермических реакций и физических превращений, выделяемое в процессе (если теплота реакции отрицательная — реакция эндотермична, то ее помещают в расходной части баланса); Q_в — тепло, введенное в процесс извне, не принимающее участия в химических реакциях (например, с горючими газами, с топливом, с нагретой водой и т. п.); Q_ф ^΄— физическое тепло, выведенное из процесса с продуктами реакции; Q_п — потери тепла в окружающую среду.

Ту составную часть баланса, которую нельзя или трудно вычислить, определяют, как неизвестное из уравнения энергетического баланса.

В общей форме, составляющие теплового баланса могут быть рассчитаны следующим образом.

Физическое тепло Q_ф, введенное с исходными веществами или выведенное с продуктами реакции, рассчитывается по формуле:

где т. — количество исходных веществ (кг, м³ или моль); с - средняя теплоемкость исходных веществ при температуре их поступления; t — температура исходных веществ.

Тепло экзотермических реакций и физических превращений исходных веществ из одного агрегатного состояния в другое как при плавлении или возгонке твердого тела, так и при испарении жидкости и т. п., или при процессах растворения и кристаллизации, берется из экспериментальных данных, помещенных в литературе, или оно определяется путем термохимического расчета (на основе закона Гесса).

Тепло, введенное в аппарат извне Q_B, не принимающее участия в химических реакциях, рассчитывается по теплосодержанию газообразного, жидкого или твердого теплоносителя аналогично Q_ф и Q_ф ^΄, т. е. как произведение cmt.

Потери тепла в окружающую среду Q_n, обусловленные теплопроводностью наружных стенок аппарата, излучением и конвекцией, рассчитывают на основе законов теплопередачи или берут на основе практических данных.

Как видно из схемы теплового баланса, для его составления, надо предварительно получить ясное представление обо всех химических и физических процессах, происходящих в производстве, а также иметь все материальные показатели процесса, входящие в состав материального баланса.

Потери тепла аппаратом в окружающую среду путем излучения, конвекции и др. рассчитывают либо по законам теплоизлучения и теплопроводности, либо определяют по практическим данным, а если это невозможно, то по разности между суммой приходных и расходных статей.

При расчете теплоизлучения пользуются законом Стефана Больцмана, согласно которому количество тепла Q, излучаемое в единицу времени, пропорционально поверхности излучаемого тела F и четвертой степени его абсолютной температуры Т:

где — постоянная излучения, а ε— коэффициент черноты.

При расчете тепла, теряемого через стенку аппаратуры, пользуются законом Фурье, согласно которому количество тепла, передаваемого через стенку посредством теплопроводности, пропорционально.поверхности стенки F, разности температур между поверхностями стенки t₁—t₂, времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ.

где λ — коэффициент теплопроводности, зависящий от свойств материала стенки и ее температуры.

Весьма часто при расчете потерь тепла через плоскую или цилиндрическую стенку пользуются уравнением теплопередачи:

Q = KFΔt_cpτ,

где К — коэффициент теплопередачи; Δt_cp— средняя разность температур теплоносителей по обе стороны стенки.

На основании энергетических расчетов составляются таблица баланса, а при желании более наглядно показа статьи, составляющие приход и расход (введенные, полученные и потерянные) количества энергии, результаты расчете изображают в виде диаграмм.

В некоторых случаях удобнее тепловой расчет вести в единицах мощности. Целью расчета является определение мощности нагревателей.

Тепловой баланс экструдера: , где N_мех – тепловыделение за счет механической работы червяка, Вт; N_нагр – мощность нагревателей на материальном цилиндре, Вт; N_G – мощность, требуемая для нагревания полимера в цилиндре, Вт; N_пот – тепловые потери с поверхности цилиндра в окружающую среду, Вт; N_охл – мощность расходуемая на нагрев охлаждающей воды во внутреннем канале червяка и в загрузочной зоне материального цилиндра, Вт.

Каждая составляющая материального баланса определяется по следующим зависимостям.

, где W –производительность экструдера, кг/ч; с_П – удельная теплоемкость перерабатываемого материала, Дж/(кг∙К); Т₁ и Т₂ – температуры перерабатываемого материала в зоне загрузки и зоне дозирования соответственно, К.

, , где F – площадь наружной поверхности цилиндра (теплоизоляции), м²; ΔТ – разность температур наружной поверхности цилиндра и окружающей средой, α – коэффициент теплоотдачи, Дж/(м²∙ч∙К).

, где G_В – расход охлаждающей воды, кг/с; с_В – теплоемкость воды, Дж/(кг∙К); ΔТ_В – разность между конечной и начальной температурой охлождающей воды, К. , где f – площадь сечения подводящих трубок, м²; v – скорость течения воды, м/с (принимают 0,1-0,8 м/с); ρ – плотность воды, кг/м³.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Составить уравнение теплового баланса.

2. Рассчитать количество подведенного и отведенного от объекта тепла.

3. Определить мощность нагревателей и сравнить с паспортными значениями.

Порядок выполнения работы.

1. Изучить технологический процесс производства изделий экструзионным способом.

2. Изобразить технологическую схему производства изделия.

3. Измерить температуру окружающей среды, температуру сырья на входе в технологический процесс.

4. Включить экструдер. Прогреть до температуры переработки материала. Засыпать материал в бункер экструдера.

5. По датчикам температуры зафиксировать температуру перерабатываемого материала в зоне загрузки и зоне дозирования.

6. С помощью секундомера и аналитических весов определить производительность экструдера.

7. Измерить с помощью мерного стакана расход охлаждающей воды.

8. Измерить температуру воды на входе и выходе из технологического процесса.

9. С помощью пирометра измерить температуру на поверхности теплоизоляции экструдера и температуру изделия на выходе.

10. Замерить вощьность электродвигателя эктрудера в процессе переработки материала при помощи ваттметра.

11. Выключить экструдер.

12. Все полученные значения записать в таблицу.

13. Составить тепловой баланс технологического процесса.

14. Рассчитать мощность нагревателей экструдера.

15. Сравнить полученное значение с паспортными величинами.

Содержание отчета

1. Название и цель работы, порядок выполнения работы.

2. Технологическая схема процесса с обозначением тепловых потоков процесса.

3. Таблица экспериментальных данных.

4. Уравнение теплового баланса процесса.

5. Расчет мощности нагревателей.

6. Сравнение расчетной мощности с экспериментальной.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. Основы составления теплового баланса.
2. Принципы расчетов аппаратов.
3. Виды тепловых потерь и способы их устранения.