WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 13 |

В производствах химической, фармацевтической промышленности вертикальные емкостные аппараты с механическими перемешивающими устройствами нередко используются для обработки токсичных, взрыво- и пожароопасных веществ, содержание которых в воздухе производственного помещения ограничено санитарными нормами и правилами. Определяющее влияние на содержание таких веществ в зоне обслуживания аппарата оказывает величина утечки рабочей среды через уплотнение вала перемешивающего устройства. Рассмотрим влияние герметизирующей способности наиболее распространённых уплотнений вращающихся валов на характеристики перемешивающего устройство вертикального емкостного аппарата.

1.4. ВЛИЯНИЕ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УПЛОТНЕНИЯ ВАЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Наиболее популярными уплотнениями валов механических перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов являются манжеты, сальники и торцовые уплотнения. Выбор вида уплотнения вала определяется характеристиками рабочей среды и частотой вращения вала, а его типоразмер – диаметром вала [5, 19]. Основной характеристикой герметизирующей способности уплотнений является удельной утечка рабочей среды U (в метрах кубических через метр периметра контакта в секунду). Допустимую величину удельной утечки характеризует класс негерметичности уплотнения, например [19]:

классу 1–1 соответствует U 510–13, м3/м/с;

классу 1–2 – U 510–12 м3/м/с;

классу 2–1 – U 510–11 м3/м/с;

классу 2–2 – U 510–10 м3/м/с;

классу 3–1 – U 2,510–9 м3/м/с.

Рассмотрим методику определения значения U для манжетных, сальниковых и торцовых уплотнений вращающихся валов.

1.4.1. Герметизирующая способность манжетных уплотнений Резиновые манжеты, используемые для уплотнения вращающихся валов (рис.

1.20), изготавливают с металлическим каркасным кольцом и кольцевой спиральной пружиной. Манжеты монтируют в цилиндрические канавки корпусов машин открытой стороной к полости повышенного давления. Металлический каркас придаёт уплотнению жёсткость, пружина обеспечивает поджатие лопаРис. 1.20. Схема манжетного уплотнения: сти манжеты к валу с удельным давлением рпр ~ 0,03 МПа и таким образом 1 – корпус;

компенсирует её износ.

2 – металлический каркас;

Расчёт удельной утечки рабочей среды через манжетное уплотнение реко3 – пружина мендуется [19] выполнять по формуле:

d n U = 6,4 10-µ l (p pc) (1- 2-Y), (1.38) где µ – вязкость среды, контактирующей с зоной уплотнения; l ~ 1,216(d – d2) –ширина полоски скольжения манжеты по валу; р = р0 + рпр + рс – суммарное удельное давление на поверхности скольжения;

rн - rвp0 =1,5Et 2 – удельное давление, создаваемое начальной деформацией манжеты при сборке (внут2rн + rвренний диаметр d2 корпуса манжеты всегда несколько меньше диаметра d вала); rв = d2/2 – внутренний радиус корпуса манжеты; rн = d/2 – радиус вала; Е – модуль упругости резины (~ 7 МПа), t = (d – d2)/d– коэффициент деформации манжеты при сборке; рс – рабочее давление в аппарате; n – частота враще d n ( fp10-5)3T ния вала; Y=1- 4,8 10-11 – коэффициент работоспособности манжеты; Т – время работы уплотнения в секундах; = (d – d2)/2 – радиальный натяг манжеты при сборке; f – коэффициент трения в паревал-резиновая манжета:

р, МПа 0,05 1 4 8 f 0,8 0,16 0,08 0,065 0,Коэффициент Y при малых Т (в начале работы уплотнения) близок к единице и уменьшается по мере увеличения Т. Значение Т, при котором Y = 0, характеризует долговечность уплотнения.

1.4.2. Герметизирующая способность сальниковых уплотнений Герметичность контакта вращающегося вала с мягкой сальниковой набивкой (рис. 1.21) обеспечивается за счёт поджатия набивки к валу в результате затяжки болтового или резьбового соединения втулки. В процессе работы уплотнения втулка периодически подтягивается, чтобы компенсировать износ колец набив2 ки и вымывание из них смазочного материала.

К числу наиболее популярных сальниковых набивок относятся: ФУМ (фторопластовый уплотнительный материал), асбестовый шнур (сухой, пропитанный графитовой смазкой или тальком), войлочные кольца, пропитанные смазкой. Выбор набивки определяется свойствами рабочей среды, например, плетёная асбеРис. 1.21. Схема стовая сухая набивка применяется для нейтральных и слабоагрессивных жидких сальникового уплотнения:

1 – вал; 2 – корпус;

и газообразных сред при рабочих давлениях рc 4,5 МПа и рабочих температурах 3 – набивка; 4 – втулка tc 400 °С, фторопластовый уплотнительный материал (ФУМ) – для минеральных и органических кислот при рc 3 МПа и tc = 30…100 °С, графитированный войлок, пропитанный жировым антифрикционным составом – для воздуха и инертных газов, воды, минеральных масел при рc МПа и tc 130 °С.

Удельная утечка рабочей среды через сальниковое уплотнение определяется [19] по формуле, аналогичной (1.38):

d n U = 6,4 10-µ nкb(p pc) (1- 2-Y), (1.39) где b – толщина кольца набивки; nк – число колец, выбор которого определяется рабочим давлением в аппарате:

рс, МПа 0,2…1 1…2 > 0,nк 3 4 5 f nк p = pce – удельное давление на поверхности скольжения; f – коэффициент тре- ния сальниковой набивки о вал [19].

1.4.3. Герметизирующая способность торцовых уплотнений Торцовое уплотнение состоит из трёх основных элементов (рис. 1.22): неподвижного (опорного) кольца, подвижного (уплотнительного) кольца и упругого элемента (пружины), обеспечивающего контакт в паре трения колец. В отличие от манжетных и сальниковых уплотнений, в торцовых контактное давление, обеспечивающее герРис. 1.22. Схема торцового метизацию, действует не перпендикулярно, а параллельно оси вала.



уплотнения:

В паре трения торцовых уплотнений применяются материалы, обеспечивающие 1 – вал; 2 – корпус возможно меньший коэффициент трения, лучшую теплопроводность и высокие доуплотнения;

пускаемые удельные давления. Для уплотнительных колец применяются латунь, 3 – пружина;

5 – уплотнительное бронза, чугун, текстолит, фторопласт, графит. Для опорных колец – более твёрдые кольцо; 6 – опорное материалы: цементированная углеродистая сталь, закалённая низколегированная.

кольцо;

Поверхность контакта колец (поясок трения) стремятся сделать как можно тоньше, 4, 7 – вспомогательные так как при этом уменьшаются потери на трение, улучшаются условия смазки и те- уплотнения плоотвода.

Удельную утечку рабочей жидкости через торцовое уплотнение можно приближённо оценить по формуле [19]:

h3 pc U =, (1.40) 6µ(D2 - D1) где D1 – внутренний диаметр пояска трения колец; D2 – внешний диаметр пояска трения колец; h – усреднённый размер зазора в уплотнении, который принимается равным параметру шероховатости поверхности колец (при чистоте обработки поверхностей 9 – 0,2 мкм, 10 – 0,1 мкм, 11 – 0,05 мкм).

Таким образом, на выбор диаметра вала d механического перемешивающего устройства и частоты его вращения n может оказывать влияние требование выполнения условия:

U Uзад, (1.41) где Uзад – удельная утечка рабочей среды, определяемая необходимым классом негерметичности уплотнения.

Большинство технологических процессов, реализуемых в вертикальных емкостных аппаратах, требуют подвода или отвода тепла. Стандартные аппараты оснащаются типовыми теплообменными устройствами – рубашками и змеевиками фиксированной поверхности. На интенсивность теплообмена существенно влияет мощность перемешивания. Рассмотрим рекомендуемую [1, 2] методику расчёта теплообменных процессов в вертикальных емкостных аппаратах и определим влияние параметров конструкции перемешивающего устройства на условия теплообмена.

1.5. ВЛИЯНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ УСТРОЙСТВ НА КОНСТРУКЦИЮ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Наиболее популярные типы теплообменных устройств вертикальных емкостных аппаратов представлены на рис. 1.23.

а) б) в) г) Рис. 1.23. Теплообменные устройства вертикальных емкостных аппаратов:

а – цилиндрическая рубашка; б – рубашка из полутруб;

в – концентрический змеевик; г – секционный змеевик Основное условие пригодности теплообменного устройства для реализации какого-либо процесса:

Фр Ф, (1.42) где Фр – тепловой поток, который может быть обеспечен с помощью конкретного теплообменного устройства в заданных условиях, Вт; Ф – значение теплового потока, необходимого для реализации технологического процесса в аппарате, Вт.

В случаях реализации в аппарате химических процессов значение Ф обычно задаётся, а при отсутствии химических превращений его можно определить по объёму перемешиваемой среды V и данным технологического регламента процесса, реализуемого в аппарате:

Vc Ф = (t2 - t1), (1.43) где t1, t2 – начальная и конечная температуры среды, °С; – установленное регламентом время нагревания или охлаждения, с; – плотность среды при температуре t = (t1 + t2)/2, кг/м3; с – теплоёмкость среды при той же температуре, Дж/(кг·К).

Значение Фр определяется из основного уравнения теплопередачи - 1 ст Фр = + + Ftcp, (1.44) ст т где, т – коэффициенты теплоотдачи от рабочей среды и теплоносителя, Вт/(м2·К); F – площадь поверхности теплообмена, м2; ст – толщина стенки между теплоносителем и рабочей средой (толщина стенки корпуса аппарата или толщина стенки змеевика), м; ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м·К), tcp – средняя разность температур теплоносителя и перемешиваемой среды, °С.

Рассмотрим методику определения значений, т и tcp.

1.5.1. Расчёт теплоотдачи от перемешиваемой среды Согласно [1, 2], при турбулентном режиме перемешивания коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды не зависит от типа мешалки и определяется теплофизическими свойствами среды и влиянием на интенсивность теплообмена условий её течения. Совокупной характеристикой этих условий являются затраты мощности на перемешивание N:

0,c0,75 Nµ = 0,267, (1.45) V Pr0,где Pr = µc/ – число Прандтля для перемешиваемой среды; µ – динамическая вязкость среды при температуре t, Па·с; – коэффициент теплопроводности среды при температуре t, Вт/(м·К).

Если в аппарате установлены отражательные перегородки и концентрический змеевик, то формула (1.45) преобразуется к виду:

0, c 0,75 Nзмµ = 0,267, (1.46) Vзм Pr0, где Vзм = Dзмdзм (1,5Hзм + 0,25 zзмdзм) – объём жидкости, заключённый в зоне труб змеевика, м3;

DHзм = (zзм -1) hзм + dзм – высота змеевика, м; hзм – шаг навивки змеевика, м; Nзм = змW3 – мощность, 16K2n dм затрачиваемая на преодоление гидравлического сопротивления змеевика, Вт; W = – сред D2 4 + зм няя скорость циркуляционного потока, м/с;

2 0,33ucp - ucp + ucp (1- rвл) - ucp 2KNGD 1- sin() 1- GD 0,25 - 0,67ucp + 0,5ucp K2 = – коэффициент расхода; hл – высота лопасти H hл 1- 388 + D Н мешалки, м; rвл – относительный радиус внутренней кромки лопасти мешалки (для лопастной и трёхлопастной rвл = 0, турбинной rвл = 0,5, рамной rвл = 0,86);

1,15zзмзм = – коэффициент гидравлического сопротивления змеевика; 1 – параметр, для определения (1- 23) значения которого в [2] предложен график его зависимости от значения параметра 0 = Нзм /(zзм dзм), см.

рис. 1.2413; 3 – параметр, для определения значения которого в [2] предложен график его зависимости от значения параметра 2 = 8Dзм dзм/D2, см. рис. 1.2514.





В результате аппроксимации этого графика получена функция 1 = 0,321 + 0,048 0 – 0,001024 02.

В результате аппроксимации этого графика получена функция 3 = 0,943 – 2,19 2 + 1,301 22.

При ламинарном режиме перемешивания рамной или якорной мешалкой значение определяется по формуле (1.45). При установке в аппарате ленточной или шнековой мешалки коэффициенты теплоотдачи от перемешиваемой среды к стенке аппарата с рубашкой и к встроенному змеевику (при шнековой мешалке) определяются по разным формулам:

а) к стенке аппарата с ленточной мешалкой 1 0, µ cВ1 2m c = 0,16, (1.47) л l0 µст 2 2m 2m 10,5Hтbл - bл dм где – параметр скорости сдвига на стенке корпуBл = GD2 1- -1n +(1-rmп)2 8q c dмH dм 21 bл D 2 vср + wср са аппарата; Нт – высота цилиндрической части рубашки, м; l0 = – длина участка стаvср wср - - nл n dм tл билизированного движения среды у вертикальной стенки, м;

0,0,0,0 2 4 6 8 10 12 14 18 Рис. 1.24. График зависимости параметра 1 от параметра 0,0,0,0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Рис. 1.25. График зависимости параметра 3 от параметра 4q wср = – средняя скорость осевого потока среды, м/с;

D2(1+ rцо) с для ленточной мешалки;

мdмHм bл – средняя скорость окружного движения сре vср = ndм м = для шнековой мешалки; 2DHк 1- dм ш ды, м/с; rmп – относительный радиус максимума циркуляционной скорости в периферийной зоне, для определения значения которого в документе [2] предложен график, см. рис. 1.2615 (rmп = y, x = rцо); к – коэффициент сопротивления корпуса аппарата, который в данном случае определяется по формуле:

12,6 (1+ hзо) к = ; µст – динамическая вязкость перемешиваемой среды при температуре стенки аппарата 0,053 + hзо (tстА), Па·с;

б) к стенке аппарата со шнековой мешалкой В результате аппроксимации этого графика при m = 1 (ньютоновская жидкость) получена функция y = 0,495 + 0,647x.

1 0, c2 µ = 0,81 c, (1.48) Hт µст 1 m 8 q где c = (1- rmп) – скорость сдвига на стенке аппарата, 1/с;

Dв) к встроенному змеевику = (н + в)/2, где 1 0, c2 µ – (1.49) н = 0,81 н Hзм µст коэффициент теплоотдачи к наружной поверхности змеевика;

y1,2,x = 0, 0,1, 0, 0,0,8 0, 0,0,6 0, 0, 0,0,x = 0,0,0 2 4 6 10 m–Рис. 1.26. График зависимости параметра максимума циркуляционной скорости перемешиваемой среды (y) от геометрического параметра циркуляции (х) и индекса поведения среды (m–1) 1 m 8 q rmп н = - rцо – скорость сдвига на наружной поверхности змеевика, 1/с;

rцо D 1 0, µ шВш2m c – (1.50) в = 0, l0 µст коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности змеевика;

2m 2 2m rmц 3,5 8q Bш = GD2 шn +rцо- – параметр скорости сдвига на внутренней поверхности змее 21 rцо D вика; rmц – относительный радиус максимума циркуляционной скорости в центральной зоне, значение которого документ [2] также предлагает определять по графику на рис. 1.23 (rmц = y rцо, x = rво /rцо).

1.5.2. Расчёт теплоотдачи от теплоносителей Методика расчёта значений т и tcp зависит от типа теплообменного устройства (см. рис. 1.20) и вида теплоносителя (жидкость, пар).

1. При нагревании или охлаждении среды путём подачи жидкости в цилиндрическую рубашку f т 3 tcт - tт g т2cт т т = A Hт, (1.51) Hт 2 µтт tcp = | tт – t |, (1.52) где g – ускорение свободного падения, м/с2; tт – средняя температура теплоносителя, °С; т – коэффициент объёмного расширения теплоносителя при температуре tт, 1/К; т – плотность теплоносителя при температуре tт,, кг/м3; ст – удельная теплоёмкость теплоносителя при температуре tт, Дж/(кг·К); µт – динамическая вязкость теплоносителя при температуре tт, Па·с; т – коэффициент теплопроводности теплоносителя при температуре tт, Вт/(м·К); tст – температура стенки аппарата, °С; A, f – константы, значения которых зависят от значения выражения в скобках (произведения чисел Грасгофа и Прандтля):

если это значение превосходит 2·107, то A = 0,135, f = 0,33;

если это значение меньше 2·107, но больше 500, то A = 0,54, f = 0,25;

если это значение меньше 500, то A = 1,18, f = 0,125.

2. При нагревании среды путём подачи конденсирующегося пара в цилиндрическую рубашку tcp = | tк – t |; (1.53) 0,3 к - п)grк (к к т = 0,943, (1.54) µкHт (tк - tст ) rк если параметр P = 5 (случай невозмущённого ламинарного стекания плёнки при отсутствии cк (tк - tст) градиента температуры по её толщине).

Здесь rк – удельная теплота конденсации пара, Дж/кг; tк – температура конденсации пара, °С; к – плотность конденсата при температуре tк, кг/м3; ск – удельная теплоёмкость конденсата при температуре tк, Дж/(кг·К);

µк – динамическая вязкость конденсата при температуре tк, Па·с; к – коэффициент теплопроводности конденсата при температуре tк, Вт/(м·К); п – плотность пара, кг/м3.

Ф Если же параметр Р < 5 и число Рейнольдса для плёнки конденсата Reп = 1, то значение т, D rкµк рассчитанное по формуле (1.54), умножается на 0,0, кст 3 µк rк т = 0,4 (tк - tст ), (1.55) к µкст 1+ cк где µкст – динамическая вязкость конденсата при температуре tст, Па·с; кст – коэффициент теплопроводности конденсата при температуре tст, Вт/м/К.

При Р < 5 и 1 < Reп 250 значение т, рассчитанное по формулам (1.54), (1.55), умножается на в = Reп0,4, (1.56) а при Р < 5 и Reп > 1 п Reп 1- 2 g кк к т =, (1.57) 0, 2300 -0,5 п Prк µк 3 + 41 Prк (Re0,75 - 89) Prкст где Prк = µк ск /к – число Прандтля для конденсата при температуре tк; Prкст = µкст скст /кст – число Прандтля для конденсата при температуре tст.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.