close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2803.Энергетика технологических процессов в АПК

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ, А.Г. ПИРКИН, С.А. ФОКИН
ЭНЕРГЕТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В АПК
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.311(07)
ББК 40.76
Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков, С.А. Пиркин, С.А. Фокин
Р е ц е н з е н т ы : д.т.н., проф. С.А. Ракутько; д.т.н., проф. Орлов
М.М. Беззубцева, В.С. Волков, А.Г. Пиркин, С.А. Фокин
А24: Энергетика технологических процессов в АПК. – СПб: СПбГАУ, 2011.
265 с.
Рекомендованы к изданию УМК энергетического
факультета (протокол № 1.1 от 18.10.2011г.)
В учебном пособии рассмотрены фундаментальные законы, положенные в
основу формирования, протекания, интенсификации и повышения энергоэффективности
технологических процессов АПК. Особое внимание уделено основам системного анализа,
методологии выявления основных факторов, определяющих энергоемкость продукции.
Представлены методики оценки энергоэффективности электротехнологических процессов
(ЭТП) сельскохозяйственного производства. Учебное пособие составлено в соответствии с
рабочими программами дисциплины «Энергетика технологических процессов в АПК» и
предназначено для магистров энергетического факультета, обучающихся по
специальности «Агроинженерия». Учебное пособие также может быть использовано
студентами, аспирантами, научными сотрудниками и инженерами, работающими в
различных областях АПК.
УДК 621.311(07)
ББК 40.76
ISBN 978-5-85-983-146-3
©
М.М.Беззубцева,
В.С. Волков
А.Г. Пиркин
С.А. Фокин
© СПбГАУ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
6
Глава 1.
Теоретические основы технологических процессов,
как базового элемента оценки энергоэффективности
производств агропромышленного комплекса
1.1. Классификация и виды энергетических воздействий
10
1.2. Закономерности энергетических воздействий
20
1.3. Классификация
процессов АПК
традиционных
10
технологических 23
1.4. Стационарные и нестационарные технологические 25
процессы АПК
1.5. Способы организации технологического процесса
26
1.6. Системный подход к проблеме повышения
энергоэффективности производства
сельскохозяйственной продукции
1.7. Законы сохранения, переноса субстанций и
термодинамического равновесия.
Материальные и энергетические балансы
28
34
1.8. Законы равновесия. Равновесное состояние, направление 47
протекания и движущая силатехнологического процесса
1.9. Кинетические закономерности процессов переноса
54
субстанций
1.10. Основы теории подобия процессов преобразования
энергии
Глава 2.
Методы интенсификации и оценки
энергоэффективности технологических процессов
сельскохозяйственного
производства
2.1. Основные понятия интенсификации технологических
процессов
2.2. Метод формального анализа параметров, влияющих на
интенсивность
2.3. Классификация и способы построения моделей
технологических процессов
2.4. Методология компьютерного моделирования
56
63
63
69
72
84
2.5. Методика
оценки
энергоэффективности
при 90
интенсификации электротехнологических процессов
(ЭТП) сельскохозяйственного производства
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3 .
Теоретические основы энергетики процесса
измельчения и инженерные энергетические расчеты
измельчающегооборудования
3.1. Основные положения процесса измельчения
93
3.2. Энергетический баланс измельчителя
97
3.3. Анализ энергетических теорий процесса измельчения
100
93
3.4. Энергетическая эффективность процессов тонкого 111
измельчения
3.5. Инженерные энергетические расчеты измельчающего 113
оборудования
121
Глава 4. Теоретические основы энергетики ректификации
4.1. Общие положения процесса ректификации
121
4.2. Энергоемкость продуктов ректификации
Материальные и тепловые балансы
4.3. Диаграммы равновесия
126
130
4.4. Влияние флегмового числа на расход теплоты.
132
Методика определения оптимального флегмового числа
и минимальных энергозатрат на основе
технико – экономических расчетов
4.5. . Пути экономии энергии в ректификационных
136
установках
140
Глава 5. Теоретические основы энергетики процесса сушки
5.1. Классификация сушки по способу подвода энергии
140
5.2. Движущая сила процесса сушки
141
5.3. Направление протекания процессов переноса влаги
142
5.4. Кинетические закономерности, периоды и
143
продолжительность технологического процесса сушки
5.5. Определение энергоэффективности сушильной
147
установки
5.6. Энергетический анализ вариантов организации процесса 157
конвективной сушки
5.7. Пути экономии энергии в технологическом процессе 165
сушки
167
Глава 6.
Теоретические основы энергетики процесса
выпаривания
6.1. Общие сведения
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2. Анализ энергоэффективности однократного
выпаривания. Материальный и тепловой балансы
однокорпусной выпарной установки непрерывного
действия
6.3. Энергосбережение в многокорпусных выпарных
установках (МВУ)
6.4. Влияние числа корпусов МВУ на коэффициент
энергоэффективности.
Технико-экономический анализ предельного и
оптимального числа корпусов
6.5. Пути экономии энергии при выпаривании
Глава 7.
170
179
184
193
Энергетика технологического процесса
перемешивания
7.1. Методы и характеристики перемешивания
206
7.2. Классификация перемешивающих устройств
208
7.3. Расход энергии на перемешивание
218
206
7.4. Выбор частоты вращения перемешивающего органа при 225
перемешивании
7.5. Определение энергоэффективного рабочего режима
227
мешалок
Приложения
234
Приложение 1.
Основные термины и определения
234
Приложение 2.
Критерии подобия
238
Приложение 3.
Правила пользования I-d диаграммой
241
Приложение 4.
Рекомендации по стандартизации.
Методы подтверждения показателей
энергетической эффективности
Библиографический список
244
259
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современных условиях роста стоимости энергетических ресурсов
особую актуальность приобретает оценка энергетической эффективности
промышленных технологий агропромышленного комплекса и повышение
эффективности использования энергии у потребителя.
Расход энергии у потребителя является универсальным показателем,
определяющим, в конечном итоге, энергоэффективность всего производства.
Энергетический анализ процессов
становлению
- это механизм, способствующий
энергосберегающих
технологий,
стимулирующих
более
эффективное использование энергоресурсов.
Технологическую
линию
промышленных
предприятий
целесообразно рассматривать как энергетическую линию,
АПК
состоящую из
отдельных элементов – электротехнологического оборудования (машин,
агрегатов, аппаратов и т.п.).
Электротехнологическое
энергетическое
оборудование
воздействие на
(ЭТО)
обеспечивает
обрабатываемую среду (материальный
объект). При этом энергетическое
воздействие проявляется
в виде
направленного воздействия сил различных физических полей (акустических,
электрических,
магнитных,
тепловых,
механических,
радиационных,
химических и др.).
Результат
энергетических
воздействий
в
конечных
элементах
энергетической линии – это эффекты, проявляющиеся в жидкости, газе,
твердых телах или в гетерогенных смесях. Эти эффекты являются
определяющими в назначении потребленной энергии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При постоянстве условий, вида воздействий и свойств обрабатываемой
среды
проявляются
одни
и
те
же
результаты
воздействия,
т.е.
прослеживаются общие закономерности, позволяющие составить алгоритмы
расчета востребованных затрат энергии на микроскопическом уровне
энергетической системы потребителя – в процессе, реализованном в
электротехнологическом
оборудовании
и
обеспечивающим
заданный
условиями производства технологический эффект в материальном объекте.
Энергетический
коэффициент полезного действия процесса - это
отношение затрат энергии на создание воздействия в ЭТО к энергозатратам,
востребованным
для достижения заданного технологического эффекта в
материальном объекте. Коэффициент полезного действия процесса позволяет
анализировать
энергоэффективность
производсвенного
электротехнологического оборудования (машин, аппаратов, агрегатов и т.п.).
В некоторых аппаратах, например, даже в современных конструкциях
электромеханических мельниц АПК (молотковых, бильных, дезинтеграторах,
дисмембраторах и т.д.)
коэффициент полезного действия процесса
измельчения составляет 1% . Востребованная энергия процесса измельчения
в данном оборудовании – это энергия, затрачиваемая на образование новых
поверхностей обрабатываемого материала. Эти данные свидетельствуют о
несовершенстве электротехнологического оборудования и, прежде всего, о
неэффективности использованных в них энергетических воздействий. Ресурс
энергосбережения составляет 99%.
Сельское
разнообразных
хозяйство
характеризуется
производств,
весьма
различающихся
технологических процессов и многообразными
большим
условиями
числом
протекания
свойствами продукции.
Вместе с тем технологические процессы представляют собой комбинацию
сравнительно небольшого числа типовых процессов, которые в зависимости
от законов, определяющих их скорость или кинетические закономерности,
классифицированы в четыре основные группы (механические, тепловые,
гидромеханические и массообменные). Эти процессы реализованы в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электротехническом
модификаций.
оборудовании
различных
конструктивных
Между тем, закономерности их протекания, несмотря на
многообразие оборудования и целевое назначение выпускаемой продукции,
описываются типовыми законами, что значительно упрощает расчет и анализ
энергетических параметров.
Протекание всех групп процессов связано с
переносом субсанций – количества импульса, энергии и массы.
Целью учебного пособия является обучение студентов:
 фундаментальным законам, положенным в основу формирования,
протекания, интенсификации и повышения энергоэффективности
технологических процессов;
 основам
системного
анализа
при
изучении
энергетики
технологических процессов АПК;
 методологии
расчета
энергоемкости
продукции
на
основании
основных
факторов,
решений балансовых уравнений;
 методологии
выявления
и
анализа
определяющих энергоемкость продукции;
 обоснованию направлений интенсификации процесса, как с точки
зрения снижения энергоемкости, так и обеспечения заданного
технологией качества продукции;
 основам моделирования технологических процессов;
 основам оптимизации энергетических воздействий по выходным
параметрам – энергоемкость продукции и энергоэффективность
производства;
 методике
оценки
энергоэффективности
при
интенсификации
электротехнологических процессов (ЭТП) сельскохозяйственного
производства.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Овладение наукой об энергетике технологических процессов в АПК
позволяет обосновано решать следующие задачи:
1. При эксплуатации действующих производств АПК:
 выбирать наилучшие (оптимальные) технологические режимы
ЭТО;
 снижать энергоемкость продукции;
 повышать
коэффициент
энергоэффективности
электротехнологического оборудования.
Повышение производительности электротехнологического оборудования,
улучшение качества продукции, решение экологических проблем, снижение
себестоимости продукции - составляющие энергоэффективности предприятий
АПК.
2. При проектировании новых производств АПК:
 разрабатывать энергоэффективные и малоотходные
технологические схемы;
 выбирать наиболее рациональные типы аппаратов.
3. Производить
расчет
технически
выбранного
грамотный
оборудования
с
и
научно
обоснованный
использованием
современных
компьютерных технологий, а также разрабатывать принципиально новые
методы
расчета
электротехнологических
процессов
и
оборудования,
реализующего эти процессы.
4. При
проведении
научно-исследовательских
работ
изучать
основные факторы, определяющие снижение энергоемкости процессов,
получать обобщенные зависимости для их расчета и внедрять результаты
исследований в производство.
Учебное
пособие
предназначено
для
магистров
энергетического
факультета, а также может быть использовано студентами, аспирантами,
научными сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях
АПК.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г л а в а 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ, КАК БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА ОЦЕНКИ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Под воздействием на обрабатываемую среду (систему) будем понимать
направленное проявление сил различных физических полей: механических,
электрических, магнитных, тепловых, акустических и радиационных (сводка
основных воздействий и их результатов дана в табл. 1.1 [1] ).
Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект,
которым может быть отдельный элемент или совокупность взаимосвязанных
элементов,
образующих
определенную
систему.
Некоторые
из
этих
воздействий взаимосвязаны друг с другом, например, электрические и
магнитные воздействия.
Т а б л и ц а 1.1. Классификация энергетических воздействий
Виды
воздействий
1
Факторы
воздействий
2
Физико-химические Результаты
эффекты
воздействия
3
4
Электрические
Электрические поля
различной
структуры
Электросепарация,
электрофорез,
электроосмос,
эффект Юткина,
электрокоагуляция,
электрохимические
эффекты,
электронагрев
Изменение физикохимических
параметров,
трансформация
электроэнергии
в механическую,
тепловую,
электрическую,
химическую и др.
энергии
Магнитные
Магнитные
поля различной
структуры
Эффект РигиЛедюка,
магнитосепарация,
магнитогидродинамический
эффект,
магнито-химические
эффекты
Изменение физикохимических
параметров,
трансформация
магнитной энергии в
механическую,
тепловую,
электрическую и
др. энергии
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П р о д о л ж е н и е т а б л. 1.1
1
2
3
4
Акустические
Упругие и
Акустические
квазиупругие коле- волны, акустическая
бания в жидкости
турбулентность,
кавитация,
кумулятивный
эффект, звукохимические
реакции, резонанс,
расклинивающее
давление,
автоколебания,
капиллярный эффект
Пульсации
давления,
кумулятивный
удар, изменение
физико-химических
свойств, активация,
трансформация
акустической
энергии в
механическую,
сонолиз
Тепловые
Нагрев, охлаждение
(тепловые потоки)
Теплопередача, теплопроводность,
тепловое излучение,
конвекция, эффект
Соре, эффект Марангони, термоэффекты
Кипение,
конденсация,
фазовые переходы,
инверсия фаз,
изменение физикохимических
параметров,
трансформация
тепловой энергии в
механическую,
радиационную и др.
Световые и
Электромагнитные
волны, инфракрасное, световое,
ультрафиолетовое,
рентгеновское,
g- излучение
Ионизация,
энергетическая
накачка,
фотохимические
реакции,
возбуждение
молекул
Изменение физикохимических
свойств вещества,
активация,
излучение,
трансформация
энергии излучения в
тепловую
и др.
Удар, сдвиг,
сжатие,
растяжение,
вибрация,
формирование потоков
с определенной траекторией,
скоростью и
ускорением
Гидроудар,
турбулентность,
эффект
Кармана,
трибоэффект,
эффект Рейнольдса,
автоколебания,
активация,
накопление
дефектов
структуры,
концентрация
напряжений
Пульсации
давления и
скорости потока
жидкости,
трансформация
кинетической
энергии в
потенциальную
и др., энергетическая
накачка
радиационные
Механические
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Результаты энергетических воздействий – это эффекты в элементах
системы, на которые направлены воздействия, т.е. эффекты, проявляющиеся
в жидкости, газе, твердых телах или в гетерогенной смеси. При постоянстве
условий, вида воздействия и свойств обрабатываемой среды проявляются
одни и те же резульаты воздействия.
Электрическое воздействие
Электрическое воздействие осуществляется за счет электрических полей
различной
структуры:
постоянные
(однородные
и
неоднородные);
переменные (бегущие); скрещивающиеся (электрические и магнитные) [2].
ТП с использованием электрических полей можно разделить на процессы,
которые осуществляются только за счет электрического поля (электродиализ,
электроосмос
и
т.д.),
и
процессы,
которые
интенсифицируются
электрическим полем (сушка, экстракция, кристаллизация и т.п.).
Электрические (электромагнитные) поля характеризуются частотой
(промышленные частоты – 50 Гц, 60 Гц; поле токов высокой частоты – до 300
МГц; поля токов сверхвысокой частоты – от 0,3 до 30 ГГц), напряжением или
силой тока, длительностью воздействия.
Электрическое поле воздействует на дипольные молекулы жидкостей и
газов. При этом возникают пондеромоторные силы, вызванные наложением
полей,
поляризационные
заряды,
направление
которых
обусловлено
разностью диэлектрической проницаемости среды. Эти силы изменяют
поверхностное натяжение жидкостей [3-5]. Протекание электрического тока
через электролиты приводит к электролизу. В коллоидных системах и
капиллярнопористых телах наблюдаются такие процессы, как электрофорез,
электроосмос, электродиализ, электрокоагуляция, ионофорез и др. [2].
Воздействие электрического тока на проводящие среды вызывает их нагрев
за счет выделения тепла и пробой при высоких напряжениях [5].
Таким образом, электрическое поле в обрабатываемой среде вызывает
следующие физико-химические эффекты:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 электросепарация – разделение гетерогенной среды за счет
разности электропроводности фаз;
 электрофорез
–
перенос
частиц
в
электрическом
поле
вследствие наличия разноименных зарядов у твердой и жидкой
фаз;
 электроосмос – перемещение жидкости вдоль стенок капилляра
под действием приложенной ЭДС;
 эффект Юткина (электрогидравлический удар) – генерация
ударных волн в жидкости при ее электрическом пробое [6];
 электрокоагуляция
–
процесс
сближения
и
укрупнения
взвешенных в жидкости или газе частиц под действием
электрического поля;
 электрохимические эффекты – химические превращения под
действием электрического тока (электролиз);
 электронагрев – выделение тепла за счет прохождения через
обрабатываемую среду электрического тока.
При
электрическом
воздействии
на
вещество
возможно
его
преобразование в механическое, тепловое, химическое, акустическое,
магнитное и радиационное воздействия.
Магнитное воздействие
Магнитное
воздействие
аналогично
электрическому.
Действие
магнитного поля вызывает уменьшение электрической проводимости,
возрастание
плотности,
вязкости,
поверхностного
натяжения,
диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости [7-9]. Под
действием магнитного поля меняются свойства воды и водных растворов [8].
Магнитное воздействие является, в основном, оптимизирующим для ТП и
вызывает относительное движение фаз в обрабатываемой среде. Если
дисперсной фазой являются ферромагнитные частицы, то они перемещаются
под действием сил магнитного поля. При этом возможна их агрегация. Если
дисперсная фаза – газовые пузырьки, то происходит их взаимодействие с
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ионами, что вызывает их коагуляцию, всплытие, дегазацию. Если дисперсная
фаза – неферромагнитные частицы, то изменяется условие их движения [7].
Магнитное поле вызывает такие эффекты, как:
 эффект Риги-Ледюка – увеличение теплопроводности среды в
магнитном поле;
 магнитосепарация – разделение гетерогенной среды за счет
разности магнитопроизводности фаз;
 магнитогидродинамический эффект – возникновение
электрического тока в замкнутой цепи при движении
электропроводной жидкости в магнитном поле;
 магнитофизикохимические
эффекты
–
изменение
свойств
обрабатываемой среды за счет омагничивания.
Акустическое воздействие
Акустическое
обрабатываемой
воздействие
среде
представляет
упругих
или
собой
распространение
квазиупругих
колебаний
в
[10].
Акустические колебания различают на инфразвуковые (частота f < 20 Гц),
звуковые (20 Гц ≤ f ≤ 20·103 Гц), ультразвуковые (20·103 Гц < f ≤ 20·108 Гц),
гиперзвуковые (f > 20·108 Гц). Для применения в промышленности наиболее
часто используются колебания с частотами звукового и ультразвукового
диапазонов.
Акустические волны интенсифицируют:
 в гидромеханических процессах – процессы отстаивания,
флотации,
осаждения,
диспергирования,
эмульгирования,
перемешивания, пеногашения, дегазации.
 в тепловых процессах – процессы нагревания, охлаждения,
выпаривания, испарения, горения.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 в массообменных процессах – процессы кристаллизации,
сушки,
растворения,
набухания,
абсорбции,
адсорбции,
экстракции, выщелачивания.
 в механических процессах – процессы экструдирования,
литья, формования, диспергирования [11].
В зависимости от заложенного в принцип работы физического эффекта,
различают следующие виды акустических излучателей: пьезоэлектрические,
магнитострикционные, электродинамические, гидродинамические [10, 11 –
12].
Акустическое воздействие вызывает такие эффекты как:
 акустические волны – периодическое изменение давления в каждой
точке жидкости;
 акустическая турбулентность – пульсации скорости и давления
жидкости при ее течении за счет акустического давления;
 кавитация
–
разрыв
сплошности
жидкости
под
действием
растягивающих напряжений, приводящих к образованию пузырьков,
наполненных газом и паром;
 кумулятивный эффект – усиленное в определенном направлении
импульсное динамическое воздействие, например, схлопывание
кавитационного пузырька с выбросом в определенном направлении
микроструйки жидкости;
 звукохимические реакции – химические превращения вещества под
действием акустического поля (сонолиз);
 резонанс – возрастание амплитуды вынужденных колебаний при
совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой
колебательной системы.
При акустическом воздействии происходит инициирование других
воздействий – механического, теплового, химического.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тепловое воздействие
Тепловое воздействие на обрабатываемую среду осуществляется, как
правило, за счет передачи теплоты от теплоносителя. Теплоноситель может
быть подведен как через разделяющую стенку, так и непосредственно в
жидкость или газ. Нагревание жидкости может быть также произведено за
счет
других
видов
воздействий
–
акустического,
механического,
электромагнитного и радиационного. Процессы, скорость протекания
которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты, называют
тепловыми. Тепловой процесс может быть реализован как нагреванием, так и
охлаждением.
Перенос
теплоты
является
сложным
процессом,
поэтому
при
исследовании тепловых процессов их разделяют на более простые явления
[13]. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое
излучение и конвекция. При теплопроводности перенос теплоты происходит
путем
непосредственного
соприкосновения
между
микрочастицами
(молекулами, атомами, электронами). Явление теплового излучения – это
процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний.
Конвекция состоит в том, что перенос теплоты осуществляется
вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов фазы.
Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.
Тепловое воздействие на вещества вызывает следующие эффекты:
 кипение – образование парогазовых пузырьков в жидкости;
 фазовый переход – изменение фазового состояния вещества;
 инверсия фаз – переход дисперсной фазы в сплошную и наоборот
(при концентрациях фаз, близких к предельным);
 эффект Соре (термическая диффузия) – перенос вещества за
счет теплопроводности;
 термоэффекты
–
изменение
физико-химических
веществ за счет нагревания или охлаждения;
свойств
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 эффект
Марангони
–
непостоянство
коэффициента
поверхностного натяжения в зависимости от температуры или
концентрации вещества;
 структурообразование – формирование регулярных структур за
счет тепловых потоков (например, ячейки Бенара).
Механическое воздействие
Под механическим воздействием будем понимать непосредственно
механическое воздействие твердых тел на обрабатываемую среду и
содержащиеся в ней частицы. Наряду с тепловыми, электрическими,
акустическими и другими видами энергетических воздействий, механическое
воздействие
на
вещества
может
считаться
эффективным
средством
повышения активности веществ, ускоряя химические и массообменные
процессы [14]. Механическая активация – это процесс поглощения
веществом части подводимой механической энергии, которая, накапливаясь в
веществе, меняет его свойства и стимулирует физико-химические процессы.
Наиболее эффективна механическая активация за счет свободного удара (в
том числе гидравлического) и напряжений трения.
Механические воздействия делятся на три класса:
 линейные перегрузки;
 вибрационные воздействия;
 ударные воздействия.
Линейными
перегрузками
называют
кинематические
воздействия,
возникающие при ускоренном движении источника колебаний. Например, в
транспортных машинах при изменении скорости и ускорения.
Вибрационные воздействия являются колебательными процессами.
Вибрационные воздействия делятся на стационарные, нестационарные и
случайные. Простейшим видом стационарного вибрационного воздействия
является гармоническое воздействие.
Высокочастотные
вибрационные
воздействия
могут
передаваться
объекту не только через элементы механических соединений его с
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
источником, но и через окружающую среду (воздух, воду). Такие воздействия
называются акустическими.
Случайные
вибрационные
возбуждения
не
являются
полностью
предсказуемыми как гармоническое или полигармоническое воздействия.
Стохастический сигнал не может быть представлен графически наперед
заданным, так как он обусловлен процессом, содержащим элемент
случайности.
Ударными называют кратковременные механические воздействия, в
которых максимальные значения сил являются весьма большими. Функцию,
выражающую зависимость силы, момента силы или ускорения при ударе от
времени, называют формой удара. Основными характеристиками формы
являются длительность удара и его амплитуда.
Механическое воздействие вызывает такие эффекты, как:
 турбулентность – интенсивное перемешивание жидкости, пульсации
скорости и давления в жидкости при ее течении;
 гидроудар – результат резкого изменения давления в жидкости,
вызванный изменением скорости ее течения;
 эффект Кармана (вихреобразование) – периодический срыв вихрей
при обтекании тела потоком жидкости;
 трибоэффект – преобразование механической энергии в тепловую
при относительном движении тел и фаз;
 эффект
Рейнольдса
–
увеличение
тепломассоотдачи
за
счет
увеличения скорости потока;
 автоколебания – возникновение колебаний в системе за счет
преобразования энергии постоянного движения в колебательную.
Радиационное воздействие
Радиационное воздействие на обрабатываемую среду осуществляется
электромагнитными волнами длинами менее 10 мм и потоками частиц
больших
оптическое
энергий.
К
воздействие.
радиационному
Указанный
воздействию
спектр
волн
относится
включает
также
в
себя
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электромагнитные волны, начиная с частоты 1010 Гц, инфракрасной,
видимой, ультрафиолетовой области и рентгеновского излучения, заканчивая
гамма-излучением с частотой 1019 Гц [10].
В этом диапазоне свет проявляет как корпускулярные, так и волновые
свойства.
Радиационное
воздействие
включает
как
электромагнитное
(рентгеновское и γ-излучение), так и корпускулярное излучение (ускоренные
электроны, быстрые заряженные частицы). Источниками радиационного
воздействия служат радиоактивные изотопы и специальные ускорители
частиц.
Эффект от радиационного воздействия зависит от длины волны и от типа
радиационного
воздействия.
Длинноволновое
излучение
вызывает
в
основном нагрев обрабатываемых веществ, а коротковолновая часть спектра
может вызвать фотохимические реакции. Потоки заряженных частиц
производят ионизацию и возбуждение молекул облучаемого вещества при
столкновениях, а при облучении тральными частицами или фотонами, в
основном,
первоначально
образуются
заряженные
частицы,
которые
осуществляют ионизацию и возбуждение молекул. Для количественной
оценки воздействия ионизирующего излучателя на вещество используют ряд
специальных характеристик [15, 16].
Химическое воздействие
Химическое воздействие на обрабатываемую среду осуществляется за
счет внесения веществ или прохождения обрабатываемой среды через
вещества, которые вызывают изменение ее физико-химических свойств,
инициируют или ускоряют химические реакции (катализаторы), вступают в
химическое взаимодействие с самой обрабатываемой средой или с ее
компонентами. Химическое воздействие относится к сфере фундаментальных
химических наук и более детальное рассмотрение механизма этого вида
воздействия здесь нецелесообразно.
Таким образом, можно сделать вывод, что механическое, акустическое,
электрическое,
магнитное,
тепловое
и
радиационное
воздействия
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
существенным образом влияют на процессы в обрабатываемой среде,
инициируя различные эффекты и изменяя свойства фаз и содержащихся в них
включений. Перечисленные воздействия принято называть энергетическими,
так как их реализация приводит к изменению энергетического состояния
обрабатываемой среды. Воздействуя на обрабатываемую среду за счет одного
вида воздействий, возможна трансформация его в другой вид воздействия как
полностью, так и частично. Все виды воздействий взаимосвязаны друг с
другом, и реализовать какой-то вид воздействия в чистом виде практически
невозможно.
1.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Анализ физических воздействий, проявляющихся в результате эффектов
и результатов, позволил выявить следующие общие закономерности:
1. При одном воздействии на систему может проявляться несколько
результатов воздействия. Их число зависит от структуры системы. Чем
сложнее по своей структуре система, тем большее число результатов
воздействия в ней проявляется. Необходимые результаты можно получать
путем изменения числа и состава структурных элементов системы (при
заданном воздействии), а также путем изменения вида воздействия и
комбинации между собой их видов. Поскольку от одного воздействия могут
проявляться эффекты на разных иерархических уровнях системы, то
возникают внутренние воздействия. При этом результаты внешнего
воздействия, как правило, коррелируют с внутренними воздействиями.
2. Воздействия подразделяют на основные и дополнительные. Основным
воздействием на систему является такое целевое воздействие, результат
которого вызывает главный и необходимый эффект. Дополнительное
воздействие
приводит
к
количественному
получаемого от основного воздействия.
изменению
результата,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. В одной системе могут проявляться несколько эффектов. Если какоелибо воздействие приводит к новому результату, то в системе проявляются
два или более различных эффекта. Любые два или более эффектов,
проявляющиеся в одной системе, оказывают влияние друг на друга.
4. Результат воздействия регулируется и обусловливается следующими
факторами:
количественными
изменениями
воздействия;
введением
дополнительных воздействий; введением еще одного основного воздействия;
изменением структуры системы; изменением параметров системы.
5. При постоянстве условий воздействий и свойств системы проявляются
одни и те же результаты воздействия, одни и те же значения их параметров.
Каждое воздействие (основное и дополнительное) необходимо выдерживать в
определенных параметрах наиболее благоприятных для интенсификации ТП
и повышения его энергетической эффективности. Оптимизацию проводят как
для количественных параметров воздействий, так и по видам воздействий на
систему. В процессе воздействия возможны изменения параметров, и
поэтому
кроме
оптимизации
необходимо
предусмотреть
управление
параметрами воздействий: какое из воздействий выбрать за основное, какое
за дополнительное, как выбрать их параметры, и как избежать возникновения
ненужного воздействия. Потоки и объем обрабатываемой среды ограничены
и направляются конструктивными элементами аппарата для того, чтобы
интенсификация ТП за счет каких-либо воздействий на систему была
максимальной.
ТП
характеризуется
определенными
режимно-
технологическими параметрами, которые необходимо оптимизировать и
постоянно поддерживать на оптимальных значениях за счет управляющих
элементов.
Воздействия, наложенные на обрабатываемую среду, вызывают в ней
различные эффекты, которые изменяют характеристики системы, ее
энергетическое состояние. Наиболее эффективным будет воздействие,
сконцентрированное в неустойчивых точках структуры вещества. Часто ими
являются
межфазные
поверхности,
дефекты
структуры,
дислокации,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
внутренние неоднородности (концентрация энергетического воздействия в
пространстве). Таковы, например, центры зародыши турбулентных вихрей и
фазовых превращений (конденсации, кипения, кристаллизации, плавления и
пр.). Воздействие должно быть сконцентрированным, отдавать большое
количество
энергии
за
малый
временной
интервал
(концентрация
энергетического воздействия во времени).
Пространственная и временная концентрация позволяет получить
большую мощность энергетического воздействия, совершить энергетическую
накачку (особенно в режиме резонанса), высвободить внутреннюю энергию
вещества,
инициировать
многочисленные
квантовые,
каталитические,
цепные, самопроизвольные, лавинообразные и другие энергонасыщенные
процессы [10, 17, 18, 19, 20, 6 – 16, 20 – 22, 23, 24].
Качественные и количественные характеристики эффекта зависят от
вида воздействия, комбинации воздействий, их параметров. Если вид
основного воздействия, его комбинация с дополнительным воздействием
были выбраны правильно, то происходит интенсификация ТП. Степень
интенсификации ТП зависит от количественных параметров каждого вида
воздействий.
Получаемые эффекты, в свою очередь, трансформируют один вид
воздействия в другой, который также действует на систему. В качестве
примера можно привести акустическое воздействие, которое вызывает в
жидкости
кавитацию.
Кавитационные
пузырьки
при
схлопывании
выбрасывают кумулятивные струйки, производя механическое воздействие
на компоненты гетерогенной жидкости. Практически всегда, при любом виде
воздействия на систему происходит выделение тепла, т.е. осуществляется
тепловое воздействие. Непосредственное управление физико-химическими
эффектами часто невозможно. Обычно возможно только опосредованное
управление через конструктивные и режимные параметры технологической
системы и входные воздействия.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Входные воздействия (основные и дополнительные), конструктивные и
режимные параметры технологической системы, эффекты и их вторичные
воздействия суммируются. Результаты воздействий также классифицируют
на основные и дополнительные. Основные – это те результаты, которые
планировалось получить в результате целенаправленного воздействия.
Дополнительные – это результаты, которые сопутствуют основным и могут
быть как полезными, так и нейтральными и даже вредными.
Типичным
примером является тепловыделение, которое происходит в результате многих
воздействий и может быть использовано как дополнительное или вторичное
воздействие.
Совокупность основных, дополнительных и вторичных воздействий
составляет систему энергетических воздействий на обрабатываемую среду.
Правильный
воздействиями
выбор,
на
оптимизация
и
обрабатываемую
управление
среду
энергетическими
определяют
степень
интенсификации технологического процесса. Главным объектом анализа при
поиске интенсифицирующих воздействий является не сам технологический
процесс, а его механизм. Чем более подробно общий механизм процесса
будет расчленен на частные явления и детали, тем более точно может быть
установлено лимитирующее звено механизма и более эффективно выбрано
соответствующее этому звену интенсифицирующее воздействие.
1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ АПК
Несмотря на огромное многообразие технологических процессов в АПК,
все они, в зависимости от законов, определяющих скорость их протекания,
могут быть объединены в следующие группы:
1. Гидромеханические
процессы,
скорость
которых
определяется
законами гидромеханики. К этим процессам относятся транспортирование
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жидкостей и газов, получение и разделение жидких и газовых неоднородных
систем и др.
2. Тепловые
процессы,
скорость
которых
определяется
законами
переноса теплоты. К этим процессам относятся нагревание и охлаждение
жидкостей и газов, конденсация паров, кипение жидкостей. Обычно на
скорость
тепловых
процессов
большое
влияние
оказывают
гидродинамические условия в теплообменных аппаратах.
3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами
переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. К
этим процессам относятся, например, абсорбция, адсорбция, экстракция,
перегонка жидкостей, сушка. Обычно на скорость переноса массы
существенно
влияют
гидродинамические
условия
в
массообменных
аппаратах, а также скорость подвода к взаимодействующим фазам (или
отвода от них) теплоты.
4. Химические
химической
процессы,
кинетики.
скорость
Часто
которых
скорость
определяется
законами
химических
процессов
существенно зависит от скорости переноса массы и теплоты в системе, а
следовательно, и от гидродинамических условий в аппарате (реакторе).
5. Механические процессы, которые описываются законами механики
твердых
тел.
К
ним
относятся
измельчение,
сортировка
(классификация), пресование и смешение твердых материалов.
Перечисленные процессы составляют основу большинства производств и
поэтому называются основными (или типовыми) процессами АПК.
Общим для первых четырех групп процессов является то, что их
протекание связано с переносом субстанций - количества движения
(импульса), энергии или массы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т а б л и ц а 1.2. Классификация технологических процессов по типу переноса и
движущей силе
Тип переноса
Движущая сила
Процессы
Технологические
операции
Перенос количества Механическая сила, Механические,
Дробление, резание,
движения
сортирование,
давление
гидромеханические
прессование,
отстаивание,
фильтрование.
Перенос теплоты
Разность температур
Тепловые
Нагревание,
охлаждение,
выпаривание,
конденсация.
Перенос массы
Разность
Массообменные
концентраций
Сушка,
экстракция,
абсорбция,
кристаллизация,
растворение,
перегонка.
1.4. СТАЦИОНАРНЫЕ И НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ АПК
Энергоэффективность процесса в значительной степени зависит от
способов его организации. В зависимости от того, изменяются или не
изменяются во времени параметры процессов (скорости движения потока,
температуры, давления и т. д.), их подразделяют на:
 стационарные (установившиеся),
 нестационарные (неустановившиеся).
Если обозначить совокупность параметров, влияющих на процесс, U, то
при стационарном процессе:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
dU/dt = 0,
(1.1)
т. е. эти параметры могут изменяться в пространстве, но не изменяются во
времени.
При нестационарном процессе:
dU/dt  0,
(1.2)
т. е. параметры, влияющие на процесс, изменяются не только в
пространстве, но и во времени.
Нестационарное состояние процесса возникает, например, в период пуска
и изменения режима работы установок непрерывного действия.
В ряде случаев проведение процессов в нестационарном режиме
оказывается более энергоэффективным, чем в стационарном.
1.5. СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
По способу организации технологические процессы АПК подразделяют на:
 периодические,
 непрерывные,
 комбинированные.
Периодический процесс характеризуется единством места протекания
отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени. При этом
исходные вещества периодически загружаются в аппарат и обрабатываются,
а готовый продукт выгружается, т.е. все стадии процесса обычно
осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Таким образом, все
периодические процессы нестационарны.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Периодические процессы могут протекать как в замкнутых системах, не
обменивающихся веществом с окружающей средой, так и в открытых
системах.
Периодические процессы целесообразно применять в производствах
небольшого масштаба, при часто меняющемся ассортименте выпускаемой
продукции.
Применение
малотоннажных
периодических
производствах
с
часто
процессов
оправданно
меняющимся
в
ассортиментом
выпускаемой продукции.
Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания
всех его стадий, установившимся состоянием, непрерывной загрузкой
исходных материалов и выгрузкой конечного продукта. При этом все стадии
процесса протекают одновременно, но в разных точках аппарата (или
аппаратов), причем в каждой его точке параметры процесса во времени не
изменяются.
Непрерывные
процессы
обязательно
осуществляются
в
открытых
системах, т. е. в системах, обменивающихся веществом с окружающей
средой. Проведение процессов по непрерывному принципу позволяет:
 значительно повысить производительность;
 повысить качество получаемых продуктов;
 полностью автоматизировать и механизировать производство;
 снизить энергоемкость продукции;
 повысить энергоэффективность производства.
Поэтому
в
АПК,
особенно
в
многотоннажных
производствах,
периодические процессы повсеместно вытесняются непрерывными и имеют
более высокую энергоэффективность.
Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный
процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой
периодический процесс, одна или несколько стадий которого проводятся
непрерывно.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Большинство технологических процессов многостадийно и включает
обычно несколько последовательных стадий. Часто одна из стадий
осуществляется значительно медленнее остальных, лимитируя скорость
протекания всего процесса. В этом случае для того, чтобы увеличить общую
скорость
процесса,
целесообразно
воздействовать
прежде
всего
на
лимитирующую стадию.
Знание того, какая стадия процесса является лимитирующей, позволяет
упростить анализ, описание, интенсификацию процесса и повышение его
энергоэффективности.
За последние годы выявлено существенное влияние на интенсивность
типовых процессов воздействия различных факторов (электрических и
магнитных полей, лазерного излучения, пульсаций участвующих в процессе
потоков жидкости и т. п.).
1.6. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ
При
рассмотрении
производства
АПК
как
сложной
системы
предварительно необходимо изучить связи между элементами, выявить
совокупность управляемых и неуправляемых параметров, способных влиять
на показатели энергоемкости процесса и качество продукции. К ним обычно
относят:
 составы
потоков,
их
расходы
и
технологические
параметры
(температура, давление, концентрация и т.д.);
 количество подводимой и отводимой энергии.
То есть те параметры, от которых прежде всего зависит протекание
технологического процесса, энергетические и капитальные затраты на
производство продуктов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При разработке и исследовании сложных систем, характеризующих
любой технологический объект, выделяют, как правило, два класса основных
задач:
 задачи синтеза, сводящиеся к выбору структуры и значений
параметров на основе заданных свойств системы;
 задачи анализа, связанные с изучением свойств поведения системы в
зависимости от её структуры и значений параметров.
Синтез ТС – это операция выбора типов элементов и структуры
технологических связей между ними, определения параметров элементов и
технологических потоков системы, которые, в конечном счёте, обеспечивают
оптимальное значение критерия энергетической эффективности.
Системой называется множество находящихся в отношениях и связях
между собой элементов, представляющих единое целое и предназначенное
для достижения какой-либо цели.
Система технологических процессов в производствах АПК – это
совокупность элементов, обладающая двумя основными особенностями:
 технологический объект базируется на анализе комплекса явлений,
характеризующих все процессы (энергетические, массообменные,
механические и т. д.), поскольку производство нельзя рассматривать
как сумму отдельных технологических операций и процессов.
Каждый отдельный элемент производства непосредственно или
косвенно влияет на другие элементы. Между элементами системы
существует способ взаимодействия, выраженный в ее структуре
(структурной схеме);
 система функционирует при взаимодействии с окружающей средой.
Элемент системы
–
это
самостоятельная
и
условно
неделимая
составляющая системы. Любой элемент системы рассматривается как
система более низкого порядка, а сама система – как элемент системы более
высокого уровня.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Структурная схема исследуемого объекта (СС) включает условно
обозначенное на схеме электротехнологическое оборудование (элементы
системы), имеет входы и выходы информационных потоков (материальных,
энергетических и др.) с указанием направления переноса. СС дает
информацию о характерах потоков и их преобразованиях в элементах
системы.
Анализ и синтез систем основаны на понятиях иерархичности, т.е.
отдельные уровни системы определяют аспекты ее функционирования.
Результат взаимодействия всех уровней системы определяет ее работу.
Таким
образом,
системный
анализ
производств
АПК,
как
технологической системы, осуществляют по следующим этапам:
 согласование и распределение материальных и энергетических
потоков, определение общей энергетической нагрузки на аппараты;
 выбор и расчёт технологического оборудования с определением
коэффициента энергоэффективности;
 определение энергозатрат, затрат на всё производство и анализ
различных
вариантов
технологических
схем
по
критерию
оптимизации - энергоэффективность;
 окончательный выбор технологической схемы производства.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
граница системы
элементы
системы
Рис.1.1. Структурная схема
Согласно научной школе В.Н. Карпова [25] сельскохозяйственные
производства можно представить в виде искусственной биоэнергетической
системы (ИБЭС). Важнейшими объектами ИБЭС и соответствующими им
ЭТП являются:
 сельскохозяйственный
биологический
объект
(СБО),
являющийся объектом приложения основного технологического
процесса производства продукции для реализации (ЭТП 0 );
 технические
средства
создания
микроклимата
(ТСМ),
обеспечиващие условия жизнедеятельности (ЭТПМ);
 биологические и технические средства (БТС) подготовки
обработки СБО, обеспечивающие процесс предварительной
подготовки
условий
для
осуществления
производственного процесса (ЭТПП).
основного
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.2. Структурная схема производств АПК:
ЭТП - энерготехнологический процесс (технологический процесс), в ходе которого производится
энергетическое воздействие на объекты; СБО - сельскохозяйственный биологический объект
являющийся объектом приложения основного технологического процесса производства продукции
для реализации ЭТПО ; ТСМ - технические средства создания микроклимата, обеспечивающие
условия жизнедеятельности ЭТПМ .
Выполнение первого этапа системного анализа возможно только после
изучения процессов в материальном объекте (продукции), образующейся на
различных
этапах,
а
также
выявления
всех
ограничений
при
его
производстве.
Каждую технологию производства продукции, представляющую систему,
необходимо
рассматривать
как
единство
противоположных
сторон:
целостности и расчленённости.
Расчленённость отражает одну из общих сторон структуры системы и
характеризуется тремя признаками:
 качественная специфика частей системы;
 число частей, на которые расчленяется рассматриваемая система;
 взаимное расположение в пространстве и во времени.
Наличие отношений и связей между элементами, образующими
систему,
позволяет
ей
выступать
взаимоотношениях с внешней средой.
в
качестве
единого
целого
во
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Параметрическая
схема
исследуемых
объектов
(ПСИО)
дает
представление о всех внешних параметрах, воздействующих на систему и
определяющих характер и реакцию системы на эти воздействия. ПСИО
применяют при составлении энергетических и материальных балансов.
Определение материальных и энергетических потоков, обладающих
определёнными свойствами и параметрами, а также параметров работы
отдельного ЭТО позволяет оценить как характеристику, так и структуру
любой подсистемы технологического объекта. При этом имеется в виду, что
рассматриваемый объект предназначен для выполнения определённой
функции,
т.е.
осуществления
каких-либо
технологических
операций,
результатом которых является выход продукта или полупродукта.
Исходя из внешних признаков, для системы можно выделить следующие
внешние связи (рис. 1.3):
Рис. 1.3. Параметрическая схема:
х1 , х2 , х3 - входные параметры; х,  , к – внешние силы; y – реакция системы; к1 , к2 , к3 воздействующие параметры; 1 , 2 , 3 - возмущающие параметры. y=  ( x,  , k ) .
Все переменные, определяющие состояние технологического объекта,
независимо от его физикой сущности, можно разделить на четыре группы:
Группа Х. В эту группу входят факторы, которые характеризуют сырье,
промежуточные продукты и не допускают целенаправленного изменения в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ходе исследования. К входным и промежуточным продуктам можно отнести
исходные вещества или продукты предыдущих звеньев технологической
цепи. Информация о значениях переменных этой группы получается в
результате лабораторных анализов, измерений и т. п. Часто эту группу
факторов
определяют
как
контролируемые,
неуправляемые
факторы
процесса.
Группа К. Эту группу образуют управляемые факторы процесса. С их
помощью реализуется заданный технологический режим. К ним относятся
показания расходомеров, установок регуляторов и т. п. На значения
управляемых факторов накладываются технологические ограничения.
Группу Y называют выходными контролируемыми параметрами. К их
числу относятся величины, характеризующие экономическую эффективность
процесса, технико-экономические параметры, технологические свойства и
характеристики готовых продуктов. Переменные этой группы часто
используются в качестве целевых величин при оптимизации процессов.
Группу  образуют неконтролируемые, возмущающие факторы, которые
не могут быть измерены (неконтролируемые примеси в сырье, старение
катализаторов и т. д.). Именно наличие этих факторов в основном
обуславливает
вероятностный
характер
большинства
конкретных
технологических процессов и приводит к необходимости использования
статистических методов оценки их состояния.
1.7. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ, ПЕРЕНОСА СУБСТАНЦИЙ И
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО
РАВНОВЕСИЯ. МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ БАЛАНСЫ
Каждая научная дисциплина базируется на определенном теоретическом
фундаменте,
обладает
единой
методологией
последовательностью изложения материала.
и
логической
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теоретическим фундаментом дисциплины «Энергетика технологических
процессов в АПК» являются следующие основные законы:
1. Законы сохранения массы, энергии и импульса допускают только такие
превращения, при которых суммы массы, энергии и импульса внутри
системы остаются неизменными (т.е. конечная сумма равна сумме в
начальном состоянии). Законы сохранения принимают форму уравнений
балансов (например, материального и теплового), составление которых
является важной частью анализа энергоемкости технологических процессов.
2. Законы
термодинамического
равновесия
определяют
условия,
при которых процесс переноса любой субстанции (массы, энергии, импульса)
приходит к своему завершению. Состояние системы, при
котором
необратимый перенос субстанции отсутствует, называют равновесным.
Равновесное состояние описывается такими законами, как законы Генри,
Рауля и др. Знание условий равновесия позволяет решать очень важные для
анализа и расчета технологических процессов задачи - определение
направления процесса переноса (из какой фазы в какую переходит
субстанция, перераспределение энергетических потоков) и границ его
течения, расчет движущей силы процесса.
3. Законы переноса массы, энергии и импульса определяют плотность
потока любой из этих субстанций в зависимости от градиента сопряженного
с ней потенциала переноса, т. е. от удельной, отнесенной к единице объема
потока массы, энергии или импульса. Потенциалом переноса в случае
переноса массы является плотность (  )или концентрация (С), переноса
энергии - энтальпия (cpt  ), переноса импульса - количество движения
единицы объема жидкости (w  ).
Таким образом, законы переноса определяют интенсивность протекающих
технологических процессов и в конечном счете – энергоемкость продукции.
Перечисленные
законы
составляют
теоретическую
основу
анализа
энергоэффективности всех технологических процессов - гидромеханических,
тепловых и массообменных.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Закон сохранения массы
В покоящейся системе законы сохранения массы и энергии означают,
что внутри системы они могут превращаться, оставаясь в совокупности
неизменными. Если система состоит из нескольких компонентов n и одной
фазы Ф, то при отсутствии химических взаимодействий по закону
сохранения массы сумма масс всех компонентов должна быть равна массе
всей системы, т.е.
n
М1 + М2+ ... + Мn = M,
M
i 1
i
=M
(1.3)
Если система состоит из нескольких компонентов (m) и одной фазы Ф,
то сумма масс должна быть равна массе всей системы, т.е.
n
Мф1 + Мф2 + ... + МФт = М,
M
i 1
i
=М
(1.4)
Из последнего выражения закона сохранения массы следует, что чем
больше станет масса одной фазы, тем меньше будет масса другой, но сумма
масс всех фаз останется неизменной. С помощью рассмотренных выше двух
предельных случаев можно получить балансовые уравнения для каждого
компонента и каждой фазы, участвующих в процессе.
Обычно в технологических процессах все вещества находятся в движении
или, как принято говорить, в потоке. Под потоком понимают перемещение
какой-либо среды в пространстве. Наиболее часто приходится иметь дело с
конвективными потоками, которые характеризуются движением множества
частиц под действием какой-либо силы из одного места пространства в
другое. Если конвективный поток отнесен к единице площади, через которую
он переносится, то говорят о плотности конвективного потока. Плотность
потока является вектором, направление которого совпадает с направлением
движения потока; размерность плотности потока [д] = [ед. количества/(м2-с)].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для характеристики любой системы достаточно трех потоков: массы (или
компонента), теплоты (или энтальпии) и импульса.
Законы сохранения массы, энергии и импульса обычно рассматривают
совместно. Поэтому и подход к составлению балансов этих субстанций
должен быть идентичным.
Материальный баланс
По веществам, участвующим в технологическом процессе, материальные
балансы различают следующим образом:
 общий по всему веществу (брутто – баланс);
 частный – для одного компонента (например, баланс кислорода,
углерода, водорода и т.д.).
Материальный баланс должен включать в себя столько уравнений, сколько
компонентов в перерабатываемом веществе.
По
иерархической
структуре
производства
материальные
балансы
подразделяют на следующие виды:
 части аппарата (т.е. части элемента процесса);
 аппарата (т. е. всего элемента процесса);
 установки (т.е. части производства);
 всего производства – от сырья до готового продукта (т.е. участка
цеха, цеха или нескольких цехов); многих производств (т.е.
комбината);
 отрасли АПК.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
приход
=
mА
mВ
md
расход
QА
Qd
QВ
аппарат
md
mС
аппарат
QС
QF
Рис. 1.4. К составлению материальных и энергетических балансов
На основе материального баланса определяют выход продукта по
сравнению с теоретически возможным (в %), а также количество (массу)
получаемых продуктов в единицу времени. Согласно закону сохранения,
масса (количество) поступающих на переработку веществ
должна быть
равна массе веществ, получаемых в результате проведения процесса.
Например, на вход в аппарат поступают компонента А, В и С (рис. 1.4.), а
на выходе из аппарата имеем компоненты D и F. Для этого аппарата
уравнение материального баланса можно записать
mA  mB  mC  mD  mF
или
n
m
m  m
i 1
i
j 1
j
(1.5)
В практических условиях при проведении технологического процесса
происходят необратимые потери вещества Gn (например, со сточными водами
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или газовыми выбросами, через неплотности аппаратуры и т. п.), поэтому
материальный баланс в общем случае принимает вид

mH =  mK +

mнакропл.
(1.6)
Для нестационарных процессов материальный баланс имеет несколько
иной вид, так как потоки, направленные внутрь рассматриваемого объема
(приход), и потоки, направленные наружу (расход), могут быть не равны
(например, просходит накопление массы), т.е.
Приход - Расход = Накопление,
или

mH -  mK =  mнакропл
(1.7)
Для стационарных процессов правая часть выражения (1.7) равна нулю, и
без учета потерь оно приобретает вид уравнения (1.5).
Материальный и энергетический балансы в макрообъемах (например, в
аппарате) при взаимодействии, например, двух фаз для тепло- или
массопереноса будут зависеть от их относительного движения.
Температуры
(для
теплопереноса)
или
концентрации
(для
массопереноса) потоков на выходе из аппаратов могут существенно
различаться, например, для прямоточного (рис. 1.5,а; 1.7,a) и противоточного
(рис. 1.5,б; 1.7,б) движения потоков при одних и тех же их значениях
(начальных температур и концентраций) на входе в аппараты. Следовательно,
изменяются значения движущих сил процесса, и, как следствие, изменяется
энергоемкость получаемой продукции.
Проиллюстрируем это положение на примере теплового процесса в
рекуперативном теплообменнике (пример1) и массобменного процесса
абсорбции (пример 2).
Пример 1. Наиболее распространенные виды относительного движения
потоков в тепловом процессе представлены на рис. 1.5.
При изменении агрегатного состояния температура теплоносителя не
изменяется (рис.1.6), т.к. теплота расходуется на изменение агрегатного
состояния. При этом движущая сила теплового процесса также остается
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неизменной. Критерий фазового превращения представляет отношение
теплоты, расходуемой на изменение агрегатного состояния вещества к
теплоте перегрева или охлаждения С t одной из фаз относительно
температуры фазового превращения:
K
r
,
ct
(1.8)
где r –теплота парообразования; с – удельная теплоемкость; t - разность
температур между температурой фазового перехода и температурой одной из
фаз.
а
б
Рис. 1.5. Взаимное направление движения потоков в аппаратах:
а -прямоток; б – противоток
Рис.1.6. К определению движущей силы t теплового технологического
процесса при t11  t1"  tконд ; t21  t 2"  tкип
Среднюю разность температур рассчитывают по формулам:
t a 
t max  t min
t
, если max  2
2
t min
(1.9)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или
t л 
t max  t min
t
, если max  2
t  t min
t min
ln max
t max
ln
t min
(1.10)
где tmax и tmin - максимальная и минимальная разность температуры
теплоносителей; ta - среднеарифметическая разность температур; t л среднелогарифмическая разность температур.
Для теплового расчета рекуперативного теплообменника используют
следующие основные уравнения:
а) уравнение теплового баланса
Q1 = Q2 + QПОТ
(1.11)
или в развернутом виде для однофазных теплоносителей
 


G1cP1 (t1  t1 )  G2 cP 2 (t 2  t 2 )  QПОТ ;
(1.12)
если греющим теплоносителем является сухой насыщенный водяной пар


G1r  G2 cP 2 (t 2  t 2 )  QПОТ ,
(1.13)
б) уравнение теплопередачи
Q=K∆tF
(1.14)
В формулах (1.11-1.13) Q1 – тепловой поток, отдаваемый горячим
теплоносителем в единицу времени, Вт; Q2 – тепловой поток, получаемый
холодным теплоносителем в единицу времени, Вт; QПОТ – тепловой поток
потерь в окружающую среду – в данной задаче принимается равным нулю,
Вт; G1 и G2 – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;
cP1 и cP 2 - удельные массовые изобарные теплоемкости горячего и холодного
теплоносителей, Дж/(кг·К); t1 и t1 - температура горячего теплоносителя на
входе и выходе из теплообменника, С; t 2 и t 2 - температура холодного
теплоносителя на входе и выходе из теплообменника.
Пример 2. Рассмотрим установившийся процесс поглощения газа жидкостью (абсорбцию), например, поглощение аммиака водой из аммиачно–
воздушной смеси (рис. 1.7) при условии отсутствия перемешивания фаз по
высоте аппарата. Количество компонента (аммиака), переходящего из
газовой фазы в жидкую
M = M1=G(y н - yк ) = L(x к -x н )
,
(1.15)
где G и L - расходы соответственно инертного газа и жидкости, кмоль/с;
y н и yк - концентрации компонентов газа на входе в аппарат и выходе из него,
кмоль/кмоль инертного газа; x к и x н - концентрации компонента в жидкости
на входе в аппарат и выходе из него, кмоль/кмоль инертной жидкости.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 1.7. К выводу уравнений материального баланса и рабочей линии процесса (на
примере абсорбции): а - противоток; б - прямоток
Для того чтобы получить связь между текущими концентрациями в
фазах, запишем материальный баланс для верхней части аппаратов (сечение
1-1, рис. 1.7, а):
LxH + Gy = Lx + Gy к , или
y = (L/G)x + [yK - (L/G) xH]
(1.16)
Поскольку L/G = const, a второй член правой части уравнения (1.16) также
является постоянной величиной, получим
у = Ах + В,
(1.17)
где А = L/G - тангенс угла наклона прямой линии; В – отрезок, отсекаемый на
оси ординат прямой линией.
Уравнение (1.17) описывает связь рабочих концентраций компонента в
потоках, обычно его называют уравнением рабочей линии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для прямоточного движения потоков уравнение рабочей линии получают
по аналогии с предыдущим случаем:
у=-Ах + В.
(1.18)
Уравнение (1.18) отличается от (1.17) знаком перед коэффициентом А. На
рис. 1.7, а и 1.7,б построены линии рабочих концентраций по уравнениям
(1.16) и (1.17), которые в дальнейшем, после рассмотрения условий
равновесия систем, позволяют подойти к определению движущих сил
процессов переноса массы и энергетических потоков, необходимых для
реализации технологического процесса.
Закон сохранения энергии
Из
первого
закона
термодинамики
может
быть
сформулировано
выражение закона сохранения энергии: внутренняя энергия U изолированной
от внешней среды системы постоянна, т. е. U = const. Тогда
dU=  Q   A
В уравнении (1.19) величины теплоты
(1.19)
 Q и производимой работы  А
характеризуют не систему, а процессы ее взаимодействия с окружающей
средой, поэтому они не являются полными дифференциалами. Переход
системы из одного энергетического состояния в другое характеризуется
новым значением внутренней энергии U, так как U меняется на
определенную величину независимо от пути перехода.
Уравнение (1.19) без большой ошибки может быть использовано в
качестве закона сохранения теплоты.
Энергетический баланс
Для определения энергоемкости технологических процессов необходимо
определить расход энергии на его проведение. Чтобы определить расход
теплоты, составляют тепловой баланс как часть общего энергетического
баланса. Тепловой баланс составляют для многих процессов, протекающих
в
теплообменных
аппаратах,
массообменных
аппаратах
(перегонка
жидкостей, сушка и т.п.).
По аналогии с материальным балансом тепловой баланс в общем виде
выражается следующим образом:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
QA  QB  QC  Q  QD  QF  Qn
или
Q
BX
 Q   Qвых  Qn ,
(1.20)
где Σ Qвx – теплота, поступающая в аппарат с исходными компонентами;
Q – дополнительная теплота. подводимая к аппарату от внешних источников
(например с помощью встроенного калорифера); Σ Qвых – теплота, уходящая
из аппарата; Qn – тепловые потери.
На рис. 1.8 приведены примеры нагревания жидкости в аппаратах
идеального вытеснения и идеального смешения.
В аппарате идеального вытеснения температура жидкости плавно
изменяется по длине аппарата l от начальной tн до конечной tK, так как
текущие в аппарате объемы жидкости вытесняют друг друга, не
смешиваясь.
В аппарате идеального смешения поступающая жидкость практически
мгновенно смешивается с находящейся в аппарате, поэтому начальная
температура tH жидкости в таком аппарате мгновенно изменяется до
конечной tK.
Средняя разность температур  tcp при условии сохранения начальных
температур нагреваемой жидкости tн и греющего пара ta (средняя движущая
сила процесса) в аппарате идеального вытеснения выше, чем в аппарате
идеального смешения. Следовательно, и количество переданной при этом
теплоты в аппарате идеального вытеснения больше, т. е. QK выт
> QK смеш
Тепловой баланс для обоих случаев идентичен:
Qн + Q
пар
=Q
к
+Q
п
,
(1.21)
но значения величин, входящих в уравнение (1.21), различны. Поэтому при
составлении тепловых балансов часто приходится принимать модель, по
которой
работает данный аппарат (идеальное вытеснение,
смешение и т. д.).
идеальное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Помимо
расхода
теплоты,
энергетический
баланс
позволяет
определить расходы кинетической и потенциальной энергии на проведение
процесса (премешивание жидкостей, транспортирование газов и т.д.).
Рис. 1.8. Конструктивные схемы и температурные графики теплообменников:
а – идеального вытеснения; б - идеального смешения.
Основные уравнения переноса субстанций
Выделим в жидкости, находящейся в движении, произвольный объем V,
ограниченный
поверхностью
S.
Объем
V
жидкости
расположен
в
неоднородном поле физического потенциала переноса  . Задача сводится к
выводу
дифференциальных
уравнений,
описывающих
распределение
скоростей, концентраций и температур во времени и пространстве, что
необходимо
для
решения
многих
задач
гидродинамики,
тепло-
и
массообмена. Если объемные силы консервативны, т. е. не изменяются во
времени, то их можно заменить потенциалом переноса.
Потенциал переноса представляет собой удельную (отнесенную к единице
объема) массу, энергию или количество движения. В случае переноса массы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в качестве потенциала переноса рассматривают плотность (  ) или
концентрацию (С):
 =  =  mi / V
n
или
 =C= mi / V
,
(1.22)
1
где mi – масса i-го компонента смеси; [  ] = [С] = [кг/м3].
В случае переноса энергии (теплоты) потенциалом переноса является
энтальпия единицы объема жидкости:
 = cpt  V/V=cpt  ,
(1.23)
где ср– теплоемкость среды; [cpt  ] = [Дж/м3].
В
гидродинамических
процессах
потенциалом
переноса
является
количество движения (импульса) единицы объема жидкости:
 = w  V/V=w  ,
(1.24)
где [w  ] = [кг/(м2-с)].
В рассматриваемом объеме жидкости существуют источники потенциала
переноса, характеризующиеся удельной объемной плотностью притока  ,
т.е. скоростью притока энергии [  ] = [Дж/(м3-с)], массы [  ] = [кг/(м3 с)] или
импульса [  ] = [кг/(м2 с)] в единице объема.
Процессы тепло – и массопереноса через рассматриваемую поверхность S
осуществляются двумя видами механизма переноса:
1) молекулярным, т. е. переносом, возникающим в результате
стремления системы к термодинамическому равновесию, отклонения от
которого объясняются неоднородностью поля потенциала;
2) макроскопическим – конвективным переносом, вызванным наличием
поля скоростей жидкости в объеме V. В случае переноса количества
движения (импульса) к указанным двум видам переноса добавляется также
перенос, вызванный наличием поля гидростатического давления, а при
переносе теплоты – перенос за счет теплового излучения.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поток
субстанции,
вызванный
стремлением
системы
к
термодинамическому равновесию (молекулярный перенос), определяется
хаотическими перемещениями молекул среды, переносящих массу, энергию
и импульс и тем самым усредняющих потенциал в рассматриваемом объеме.
Молекулярный перенос является определяющим в неподвижных средах и в
ламинарно движущихся потоках и описывается следующими известными
линейными градиентными законами:
 для переноса массы – первым законом Фика:
q мс
= - D gradC,
(1.25)
где D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с.

для переноса энергии (теплоты) – законом Фурье:
q мt
= –  grad t,
(1.26)
где  – коэффициент теплопроводности.

для
переноса
импульса
(с
учетом
закона
внутреннего трения Ньютона):
qмw =–  grad
w.
(1.27)
1.8. ЗАКОНЫ РАВНОВЕСИЯ. РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ. НАПРАВЛЕНИЕ
ПРОТЕКАНИЯ И ДВИЖУЩАЯ СИЛА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Основная задача технологического процесса состоит в направленном
(заданном) изменении макроскопических свойств участвующих в этом
процессе веществ: состава, агрегатного состояния, температуры, давления.
Для этого на систему воздействуют подачей или отводом теплоты, внешними
силовыми полями, перемещением под действием силы давления и т. п., что
приводит к переносу субстанций – энергий, массы, импульса. Предельным
состоянием системы является подвижное равновесие, которое не приводит к
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изменению макроскопических свойств участвующих в процессе веществ во
времени и пространстве. Таким образом, равновесным называют такое
состояние системы, при котором перенос субстанций отсутствует. Законы
равновесия при решении инженерных задач применяют для определения
направления протекания и величины движущей силы.
Величина
движущей
силы
является
определяющим
фактором
энергоэффективности технологических процессов.
Условия термического, механического и материального равновесия
Условия
равновесия
в
процессах
переноса
теплоты
(теплового
равновесия) определяют сравнительно простыми измерениями температур
соприкасающихся фаз.
Механическое равновесие (при переносе импульса) обнаруживают по
равенству непосредственно измеренных давлении в соприкасающихся фазах.
Намного сложнее определение условия равновесия системы в процессах
переноса массы. Поэтому данному виду равновесия будет уделено основное
внимание.
Процесс перехода массы из одной фазы в другую в изолированной
замкнутой системе, состоящей из двух или большего числа фаз, возникает
самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между фазами при данных
условиях (температуре и давлении) установится подвижное фазовое
равновесие. Оно характеризуется тем, что в единицу времени из первой фазы
во вторую переходит столько же молекул компонента, сколько из второй в
первую (т. е. преимущественного перехода вещества из одной фазы в другую
нет). Достигнув состояния равновесия, система может находиться в нем без
количественных и качественных изменений сколь угодно долго, пока какоелибо внешнее воздействие не выведет ее из этого состояния. Таким образом,
состояние изолированной системы при равновесии определяется только
внутренними условиями. Поэтому градиенты интенсивных параметров и
соответствующие им потоки должны быть равны нулю:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
dT=0; dР = 0; d i = 0,
где Т- температура; Р- давление;
(1.29)
i - химический потенциал 1-го компонента.
Выражения (1.29) называют условиями соответственно термического,
механического и материального равновесия.
Из второго закона термодинамики следует, что в самопроизвольных
процессах энтропия S системы возрастает и в условии равновесия достигает
максимального значения, т.е. в этом случае
dS = 0
(1.30)
Уравнения (1.29), а также уравнение (1.30) определяют условие
равновесия системы.
Существенным вопросом, который определяет состояние системы,
является
степень
ее
удаления
от
состояния
равновесия.
Системы,
находящиеся в состоянии равновесия, не меняют своего состояния во
времени.
Для выведения такой системы из состояния равновесия (т.е. обеспечения
условий для осуществления технологического процесса) необходимо
влияние на нее извне путем энергетического воздействия.
При оценке энергоэффективности одним из важнейших вопросов является
вопрос о направлении изменения в состоянии системы при внешнем
энергетическом воздействии. Исследование этого вопроса опирается на два
положения термодинамики: принципа Ле - Шателье и правила фаз Гиббса.
Согласно принципу Ле - Шателье в системе, выведенной из состояния
равновесия,
происходят
изменения,
направление
сил
которых
противоположно направлению сил, выводящих систему из равновесия.
Применяя принцип Ле -Шателье к конкретным процессам, можно
установить, какие параметры нужно изменить, чтобы вызвать необходимые
для производства изменения в состоянии системы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Правило
фаз
Гиббса
устанавливает
зависимость
между
числом
компонентов системы К, числом фаз Ф и числом степени свободы S:
S = K - Ф +2
(1.31)
Фаза — определенное количество вещества, физически однородное во
всей массе. Система может состоять из одной или нескольких фаз.
Компонент — чистые химические соединения, из которых: состоят фазы и
которые могут переходить из одной фазы в другую.
Состояние системы определяется совокупностью ее интенсивных свойств
- параметров, в качестве которых приняты давление, температура,
концентрация, удельный объем.
Число
независимых
параметров,
которое
может
быть
выбрано
произвольно и определяет значение остальных параметров, называется
числом степеней свободы.
Пример применения принципа Ле - Шателье.
Имеется закрытый сосуд с поршнем в верхней части. В сосуд наливается
вода, над поверхностью которой под поршнем находится пар. При
опускании поршня в сосуде создается давление. Согласно принципу Ле Шателье при соблюдении изотермических условий в рассматриваемой
системе должен начаться противодействующий процесс. Этим процессом
будет конденсация пара, что и наблюдается в действительности.
Пример применения правила фаз Гиббса.
Однокомпонентная равновесная система, например, может состоять из
одной, двух или трех фаз, находящихся в равновесии. В соответствии с
правилом фаз в первом случае S = 1 - 1+2 = 2. Если в объеме имеются только
пары воды, то температура и давление могут меняться в довольно
значительных пределах без того, чтобы возникала новая фаза (жидкость или
лед). Для двух фаз из уравнения следует, что S = 1 - 2 + 2 = 1. Это значит,
что если в замкнутой системе в равновесии находятся вода и водяной пар, то
давление и температура связаны между собой строгой зависимостью, т. е.
каждой температуре будет соответствовать строго определенное давление.
Если же попытаться при данной температуре повысить давление, то это
приведет к испарению воды, и до тех пор, пока вся вода не испарится,
давление поднять не удастся. Если же попытаться понизить давление, то пар
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
будет конденсироваться, и только после исчезновения паровой фазы удастся
получить равновесную систему при новом давлении. Таким образом, для
двухфазной однокомпонентной системы можно произвольно выбрать только
один параметр —давление или температуру. Наконец, три фазы — лед, вода
и водяной пар — могут существовать лишь при единственном значении
температуры и давления (S=1 - 3 + 2 = 0), т. е. система не имеет ни одной
степени свободы.
Движущая сила технологического процесса
Понятие «движущая сила» является основным при рассмотрении
любого процесса. Она представляет собой некоторую разницу потенциалов,
характерную для каждого вида процессов. Причиной переноса массы или
энергии является наличие в системе неравновесия. Подобно электрическому
полю, образующемуся вокруг точечного заряда, точечный источник теплоты
образует тепловое температурное поле. Нестационарное и стационарное
тепловое
температурное
поле
описываются
функциональными
зависимостями:
T  f ( X , Y , Z , ) ,
(1.32)
T  f ( X ,Y , Z ) ,
(1.33)
где X , Y , Z , - пространственные и временные координаты.
Каждая точка электрического поля характеризуется своим потенциалом. Электрический ток возникает между точками поля, если потенциалы в
них различны. Т.о. движущая сила процесса есть разность потенциалов в двух
точках пространства. Если соединить все точки двухмерного поля с
одинаковой температурой, то образуются изотермические кривые. Мерой
интенсивности изменения температуры является отношение T l , где T —
изменение температуры, отвечающее перемещению на весьма малом отрезке
l. Наиболее существенным является интенсивность изменения температуры в
направлении нормали n, которое в пределе носит название градиента
температуры:
lim(T
)
 (T ) n  gradT
n n  0
n
,
(1.34)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Градиент температур является вектором, направленным по нормали
к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры.
Понятие
«градиент» является универсальным для характеристики
движущей силы технологического процесса.
Так, движущую силу процессов массопереноса можно представить в виде
градиента концентраций:
lim(С
)
 (С ) n  gradС
n n  0
n
(1.35)
Рис.1.9. К определению движущей силы
Градиент
концентраций
является вектором,
направленным
по
нормали к изоконцентрационной поверхности в сторону возрастания
концентраций. Вещество самопроизвольно переходит только в сторону
убывания концентрации. Количество вещества G, переносимого через
какуюлибо
изоконцентрационную
поверхность
в
единицу
времени,
называется потоком вещества. Поток вещества, отнесенный к единице
площади изоконцентрической поверхности, называется плотностью потока
вещества j , которая является вектором, направленным по нормали к изоконцентрационной поверхности в сторону убывания концентрации. Таким
образом,
jи
grad
лежат на одной прямой, но
противоположные стороны.
направлены в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Направление протекания технологического процесса
Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание
выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже
равновесной. Направление переноса распределяемого вещества, т. е.
направление
массопередачи,
можно
определить
с
помощью
линии
равновесия и рабочей линии (рис.1.10).
Рабочая линия представляет собой прямую, которая наклонена к
горизонту под углом, тангенс которого равен А, и отсекает на оси ординат
отрезок, равный В. Рабочая линия для всего аппарата ограничена точками с
координатами хИ и ук (верхний конец аппарата, рис.1.7) и ун и хк (нижний
конец аппарата).
Пусть массопередача происходит между фазами Фх и Ф у рабочие
концентрации которых равны х и у соответственно.
Если рабочая линия расположена ниже линии равновесия (рис.
1.10, а),
то для любой точки, например точки А рабочей линии, у <.у* и х > х*, где
у* и х* — равновесные концентрации. Следовательно, распределяемое
вещество (компонент) будет переходить в этом случае из фазы Фх в фазу Ф у .
Перенос
в
таком
направлении
происходит,
например,
в
процессе
ректификации, где более летучий компонент переходит из жидкой фазы (Фх)
в паровую (Фу) (см. главу 4). Если же рабочая линия расположена выше
линии равновесия (рис. 1.10, б), то для произвольно выбранной на рабочей
линии точки А концентрация у > у* и х <х*. При этом распределяемый
компонент будет переходить из фазы Фу в фазу Фх.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.10. Определение направления массопередачи по У — Х-диаграмме:
а — рабочая линия ниже линии равновесия; 6 — рабочая линия выше линии равновесия.
В качестве примера такого направления массопередачи можно указать на
направление переноса в процессе абсорбции, где распределяемый компонент
(поглощаемый газ) переходит из газовой фазы в жидкую.
Величину движущей силы
и направление протекания процесса
устанавливают по взаимному положению равновесной и рабочей линий.
Движущая сила является одним из основных факторов, определяющих
энергоэффективность процесса массопередачи.
1.9. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА
СУБСТАНЦИЙ
При анализе энергоэффективности ЭТО и выявлении основных
факторов, влияющих на энергоемкость продукции особое значение имеет
знание кинетических закономерностей процессов, протекающих в ЭТО, т.е.
зависимостей, связывающих скорости протекания процессов с движущими
силами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Единство кинетических закономерностей групп основных процессов
позволяет
сформулировать
общий
закон,
описывающий
процессы
массоэнергопереноса:
dU

  K
Fd R
(1.36)
Скорость процесса переноса пропорциональна движущей силе и
обратно пропорциональна сопротивлению переноса.
В уравнении (1.32) приняты следующие обозначения: U – количество
массы или энергии; F– площадь, через которую проходит масса или энергия;

– продолжительность процесса;  – движущая сила процесса; R –
сопротивление массо –
или энергопереносу; K– коэффициент скорости
протекания процесса
(К = 1/R).
Для переноса теплоты уравнение (1.36) запишется:
dQ t

 K1t ,
Fd R1
(1.37)
где Q – количество переданной теплоты, кДж; F – поверхность
теплообмена, м2; t – время, с; Δt - движущая сила процесса теплопередачи, °С;
R1=1/К1 –термическое сопротивление; К1 - коэффициент скорости процесса
(для случая теплоотдачи – это коэффициент теплоотдачи  ; для
теплопередачи – это коэффицинт теплопередачи К).
Для движения жидкости или гaзa через слой зернистого материала:
dV
p

 K 2 p ,
fd
R2
(1.38)
где V – объем протекающей жидкости н3; f – площадь поперечного сечения
слоя, м2; R 2 = 1/K2 – гидравлическое сопротивление слоя; К2 - коэффициент
скорости; p – движущая сила процесса, Н/м2.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для случая переноса вещества в диффузионном процессе
dM
c

 K 3 c ,
Fd R3
(1.39)
где М - масса вещества, переносимого из одной фазы в другую, кг; F –
поверхность контакта фаз,м2; Δс – движущая сила процесса;
R3= 1/К3 – диффузионное сопротивление; К3 – коэффициент скорости
процесса (для случая массоотдачи – это коэффициент массоотдачи  ).
Зависимостъ (1.36) описывает и закономерности переноса электрических
зарядов (закон Ома I = U/R,
где U - разность потенциалов, R -
сопротивление, I - ток), что является следствием единства зaконов переноса
в материальном мире.
Все приведенные выше уравнения изоморфны, т.е. имеют одинаковую по
форме математическую запись.
Из уравнения (1.36) вытекает и основной принцип интенсификации
процессов переноса: увеличение движущей силы и снижение сопротивления
переносу.
1.10. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ
Общая
теория
процессов
переноса
и
преобразования
энергии
(термокинетическая теория), базируется на законе сохранения энергии в
форме, предложенной Н. Умовым в 1873 г.:
dU/dt = – ∫ div Ju dV ,
(1.40)
где U – внутренняя (собственная) энергия системы, осуществляющей
преобразование энергии, Ju – плотность её потока через границы системы
объемом V; t – время.
Развернутую форму этого уравнения легко получить, представляя в
подынтегральном выражении поток энергии Ju в виде суммы всех ее i –х
слагаемых ψ i J i , где ψ i – обобщенные потенциалы типа абсолютной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
температуры Т, абсолютного давления P, химического потенциала k-го
вещества μk и т.д.); J i – плотности потока соответствующего энергоносителя
θ i (энтропии S, массы k-го вещества M к , заряда θе и т.п.):
Ju = Σi ψiJi .
(1.41)
Тогда, представляя divJu =Σi div(ψiJi) в виде суммы двух слагаемых Σi ψi
divJi + ΣiJgradψi, вместо (1.36) имеем:
dU/dt = – Σi ψi divJi + Σi Xi Ji ,
где Xi = –gradψi
(1.42)
– движущая сила i - го процесса, называемая в ТНП
процессов "термодинамической силой в ее энергетическом представлении".
Первая сумма этого выражения характеризует скорость изменения
энергии системы в процессах переноса её составляющих через ее границы
системы при теплообмене, объемной деформации, диффузии и т.п. Вторая
сумма (1.42), напротив, обязана своим происхождением пространственной
неоднородности энергопреобразуюшей системы, т.е. наличия в ней перепадов
или градиентов обобщенных потенциалов ψi и в общем случае описывает
процессы преобразования одних (i–х) форм энергии в другие (j–е) [26].
Уравнения процесса преобразования энергии
Для дальнейшего анализа процессов преобразования энергии основной
закон
термокинетики
(1.42)
необходимо
дополнить
уравнениям,
связывающими между собой переменные Xi и Ji подобно тому, как это делают
в термостатике уравнения состояния по отношению к переменным ψi и θi . В
простейшем случае линейных систем эти уравнения имеют вид [26,27]:
Xi = Rii Ji – Rij Jj ,
(1.43)
Xj = Rji Ji – Rjj Jj ,
(1.44)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Xi , Xj – движущие силы, вызывающие появление потока
энергоносителя соответственно преобразуемой и преобразованной формы
энергии,
например,
потока
энтропии
и
электрической
термоэлектрическом преобразователе энергии (ТЭП);
энергии
в
Ji и Jj – потоки,
соответственно, первичного и вторичного энергоносителя (в данном случае
потока энтропии и электрического заряда в ТЭП); Rii, и Rjj – коэффициенты,
характеризующие термическое и электрическое сопротивление цепей ТЭП;
Rij и Rji - соответственно коэффициенты сопротивления потоку тепла
(энтропии) со стороны электрического тока (нагрузки) и электрическому току
со стороны теплового потока.
Как и в ТНП, эти уравнения учитывают в дополнение к законам Фурье и
Ома взаимосвязь процессов теплопроводности и электропроводности в ТЭП.
Однако они отличаются от так называемых "феноменологических законов"
ТНП отрицательным знаком слагаемых при Jj. Так, согласно (1.43)
увеличение тока Jj в нагрузке ТЭП при постоянной разности температуры
между ее горячим и холодным спаем (Xi) влечет за собой необходимость
увеличения потока энтропии Ji от источника тепла, что согласно (1.44 )
приводит
в
свою
очередь
к
уменьшению
напряжения
на
выходе
преобразователя (Xj). Эта особенность преобразователей энергии находит
отражение
в
условиях
антисимметрии
матрицы
феноменологических
коэффициентов [28]:
Rji = - Rij ,
(1.45)
называемых соотношениями взаимности Онсагера-Казимира [29, 30].
Элементы теории подобия энергопреобразующих систем
Закон сохранения энергии в форме вместе с соотношениями взаимности
(1.45) позволяют предложить термодинамическую теорию подобия линейных
энергопреобразующих систем, которая дополняет классическую теорию
тепловых машин анализом взаимосвязи термодинамической эффективности
(КПД)
с
производительностью
(мощностью
N)
энергетических
или
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
технологических
установок.
Выберем
в
качестве
показателя
термодинамической эффективности таких установок их энергетический
(мощностной) КПД η , представляющий собой отношение мощности на
выходе Nj и на входе в установку Ni:
η ≡ Nj / Ni = XjJj /XiJi .
Этот
КПД
характеризует
степень
использования
(1.46)
установкой
тех
принципиальных (потенциальных) возможностей, которые обусловлены
отклонением системы от внутреннего равновесия и наличием в ней в связи с
этим энергии (преобразуемой части ее энергии). Он наиболее полно отражает
потери от необратимости реальных процессов преобразования энергии в
самой установке. В отличие от термического КПД тепловой машины ηt, он
достигает единицы при обратимом характере процессов в установке и в этом
отношении отличаются от так называемых относительных внутренних КПД в
теории тепловых машин ηoi лишь тем, что в них вместо работы Wi фигурирует
мощность Ni .
При составлении математической модели энергоустановки наряду с
уравнениями процесса (1.43 ) и (1.44) и соотношениями взаимности (1.45)
используем, как обычно, условия однозначности, включающие в себя
свойства системы (сопротивления Rii, Rij, Rji и Rjj), граничные условия,
задаваемые величиной потоков Ji и Jj в режиме "короткого замыкания" Jik и
Jjk (когда Xj = 0) и начальные условия, задаваемые величиной движущих сил
Xjх и Xiх на "холостом ходу" установки (когда Jj = 0). Тогда после несложных
преобразований уравнения (1.43 ) и (1.44 ) можно привести к безразмерной
(обобщенной) форме, представив искомую взаимосвязь критериальным
уравнением [27]:
η = (1 - В)/(1 + 1/BФ),
(1.47)
где В ≡ Jj/Jjk = 1 - Xj/Xjх , Ф ≡ RijRjj/RiiRjj - безразмерные величины,
названные нами соответственно "критерием относительной нагрузки" и
"критерием качества" установки. Первый из них характеризует режим работы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
установки, изменяясь от 0 до 1 при переходе от холостого хода к режиму
короткого
замыкания,
второй
-
ее
конструктивные
характеристики,
зависящие в случае ТЭП от длины и сечения термоэлектродов и их удельного
сопротивления (т.е. от так называемой "добротности" ТЭП). При этом
величина Ф может колебаться от нуля до бесконечности.
Таким образом, обнаруживается возможность построения своего рода
теории подобия процессов преобразования энергии, напоминающей теорию
подобия процессов тепло-массопереноса. Эта теория базируется на единстве
математической модели процессов преобразования любых форм энергии в
тепловых и нетепловых, циклических и нециклических, прямых и обратных
машинах
[26].
Она
открывает
возможность
переноса
результатов
исследования одних энергетических или технологических установок на
другие
(малоисследованные).
Независимость
предложенной
линейной
математической модели от аппаратурного оформления установки позволяет
при этом построить универсальные нагрузочные характеристики таких
систем [26,27]. Эти характеристики особенно наглядно показывают, что при
квазистатическом
характере
процессов
преобразования
энергии
(их
бесконечно малой скорости) и в отсутствие потерь при переносе
энергоносителя (В = 0, Ф = ∞) мощностной КПД установки достигает
единицы, что соответствует выводам классической термодинамики для
случая полностью (внешне и внутренне) обратимых тепловых машин (ηoi = 1).
Однако, как следует из (1.47), даже в этом случае мощностной КПД падает до
нуля по мере приближения установки к режиму короткого замыкания. Таким
образом, КПД η любой машины зависит от режима ее работы. Более того, для
реальных установок (Ф < ∞) КПД η обращается в нуль дважды: на холостом
ходу (В = 0) и в режиме короткого замыкания (В = 1). Это обстоятельство
вскрывает недостаточность традиционного учета потерь в процессах
преобразования энергии с помощью постоянных (не зависящих от скорости
процесса) относительных КПД [31].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обращение КПД в нуль дважды свидетельствует о существовании режимов
с максимальной термодинамической эффективностью. Общеизвестный факт
существования таких режимов, принимаемых обычно за номинальные,
свидетельствует
о
том,
что
предложенная
математическая
модель
энергоустановки, опирающаяся на энергодинамику, является следующим
шагом на пути приближения теории тепловых машин к реальности. Чтобы
найти номинальные нагрузки Вн, приравняем нулю производную от η (1.47)
по В. После преобразований найдем:
Вн = [(1 + Ф)0,5 - 1]/Ф .
(1.48)
Согласно этому выражению, максимумы КПД установок с различным
качеством ("добротностью") лежат на одной прямой, соединяющей точки с η
= 1 и В = 0,5, т.е. по мере снижения Ф приближается к 0,5. Эта величина
знакома
специалистам,
имеющим
дело
с
самыми
различными
преобразователями энергии от приемо-передающих антенн и волноводов до
ступеней паровых и газовых турбин.
Критериальная зависимость (1.47) позволяет также установить связь
производительности ( выходной мощности) установки от величины ее
относительной нагрузки В:
Nj/Njmax = B(1- B),
где
Njmax
=
0,25
Jj k
Xjх
–
(1.49)
теоретический
предел
мощности
(производительности) установки. Это выражение показывает, что по мере
повышения
качества
установки
(ценой,
например,
дополнительных
капиталовложений в поверхности теплообменных или массообменных
аппаратов) режимы с максимальной экономичностью Вн все более удаляются
от режимов с максимальной выходной мощностью (т.е. с наименьшими
удельными
капиталовложениями).
необходимость
поиска
Это
компромисса
обстоятельство
между
подтверждает
экономичностью
и
производительностью энергетических и технологических установок, т.е. их
технико-экономической оптимизации [32].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теория подобия процессов преобразования энергии имеет большое
практическое значение при проектировании и оценке энергоэффективности
новых энергетических и технологических установок. Она может быть также
весьма
полезна
при
распределении
нагрузок
между
действующими
энергетическими или технологическими установками, при нахождении
экономически выгодных режимов их эксплуатации, при выяснении условий
достижения в них максимальной производительности и т.п. В особенности
это необходимо для установок, экономичность которых существенно
понижается с ростом нагрузки (например, для преобразователей солнечной
энергии), и для установок, эксплуатирующихся на частичных нагрузках.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г л а в а 2. МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И ОЦЕНКИ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО
ПРОИЗВОДСТВА
2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Под интенсификацией производственных (технологических) процессов
АПК понимают получение прямого или косвенного экономического эффекта
за счет увеличения производительности, КПД, уменьшения энерго- и
материалоемкости оборудования, длительности лимитирующих стадий,
повышения качества продукта, эргономических и социальных показателей.
Все перечисленные параметры являются составляющей энергетической
эффективности производственных процессов и представляют ее техникоэкономические и социальные характеристики (целевые функции). При
интенсификации предпринимают целенаправленное изменение какой-либо
группы факторов, которые оказывают влияние на целевые функции. Все эти
технико-экономические показатели во многом взаимосвязаны друг с другом.
Так уменьшение длительности лимитирующих стадий технологического
процесса обычно приводит к увеличению производительности, уменьшению
энерго- и материалоемкости, способствует росту КПД.
В настоящее время одним из перспективных методов интенсификации
технологических процессов и повышения эффективности технологического
оборудования (ТО) признаются методы, основанные на энергетических
воздействиях с применением электрической энергии.
На рис. 2.1 представлена
блок-схема алгоритма интенсификации ТП с
целью повышения энергоэффективности ТП и ЭТО.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.1. Блок-схема алгоритма интенсификации ТП и повышения
энергоэффективности ЭТО при энергетических воздействиях
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Различают два вида задач интенсификации:
 совершенствование существующих технологических систем;
 разработка принципиально новых технологических систем.
Эффективность любого объекта выражает соотношение результата и
затрат для достижения данного результата [36].
Критерий
энергоэффективности
устройства
-
это
фактической энергоемкости устройства к нормативной
технологического
процесса,
отношение
энергоемкости
соответствующего
функциональному
назначению устройства [34,35].
Основные критерии эффективности разделяют на две группы: критерии
отдельных элементов системы; критерии системы и подсистемы.
Критерии разделяют по следующим классификационным признакам:
−
Виду
(натуральный,
энергетический,
эксергетический,
термодинамический, экономический);
− Структуре (абсолютный, удельный, относительный, свернутый);
уровню (глобальный, локальный, обобщенный);
−
Сложности
приложению
(простейший,
(предпроектный,
промежуточный,
проектный,
комплексный);
производственный,
эксплуатационный, ликвидационный);
− Масштабу использования (промышленность, отрасль, промышленное
объединение);
− Сроку действия (оперативный, годовой, долгосрочный).
Натуральные критерии оценки эффективности наиболее применимы при
анализе низших уровней системы. Более распространенными являются
оценки с помощью экономических критериев [36]. К основным натуральным
критериям, которые закладывают базу для дальнейших экономических
расчетов, относятся: масса, мощность, объем, габариты, расход, энергия,
площадь или объем рабочей зоны, долговечность и т.п.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для
сравнительного
анализа
удобно
пользоваться
такими
относительными параметрами как:
− Общий КПД.
− Эксергетический КПД, KЕ = Е2/Е1, где Е2, Е1 – эксергия входящих и
выходящих
потоков,
Дж/с
[47]
(эксергия
–
максимальная
работа,
совершаемая системой при ее взаимодействии с окружающей средой).
− Термодинамический КПД, KM = EИ/EP, где EИ, EP – используемая и
располагаемая эксергия, Дж/с.
− Энергоемкость, E = N/M, Вт/кг (Вт/Дж), показывающая количество
потока энергии на единицу перенесенного вещества или энергии.
− Материалоемкость, M =
G/M, кг/кг (кг/Дж), показывающая
количество массы то на единицу перенесенного вещества или энергии.
− Производительность, Q = M/T, Кг/с (Дж/с), показывающая величину
потока массы или энергии в единицу времени.
− Индекс производительности, I = M/МСУМ, показывающий отношение
количества готового продукта М к общей сумме сырья МСУМ, затраченного на
производство.
− Коэффициент использования объема, Y = VP/VАП, показывающий
какую часть всего объема аппарата VАП занимает объем перерабатываемого
продукта VР.
− Степень превращения, Ф = М/ММАХ, показывающая отношение
реально полученного количества продукта М к максимальному его
количеству ММАХ, которое могло быть получено при данных условиях.
Критерии эффективности на предпроектном этапе носят оценочный,
ориентировочный характер. На проектном этапе расчет проводится по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эффективности капитальных вложений в ТС. Производственный этап
предусматривает изготовление и установку объекта для ввода его в
эксплуатацию с проектными параметрами при наименьших затратах. На этом
этапе главную роль отводят такому экономическому показателю, как
себестоимость объекта. На эксплуатационном этапе основной задачей
является определение оптимального режима функционирования ТС и ее
элементов.
Здесь критериями эффективности ТС являются обобщенные
показатели:
абсолютная
эффективность
функционирования
ТС;
срок
окупаемости капитальных вложений; прибыль; суммарный расход и
стоимость энергии; энергоэффективность; реальный годовой экономический
эффект. При расчете себестоимости на различных этапах необходимо также
учитывать коньюктуру, возможные риски, рекламно информационные
расходы, упущенную выгоду и т.п.
При сравнении нескольких различных ТС одного назначения можно
получить равный размер прибыли, но эффективность этих ТС может быть
различной, так как на их реализацию потребуются различные затраты.
Необходимо также учитывать экологическую чистоту проекта.
Для
интенсификации
необходимо
рассматривать
механизмы,
способствующие ускорению основных технологических стадий с получением
продукта
требуемого
или
повышенного
качества
(иногда
можно,
значительно выигрывая в скорости технологического процесса, несколько
терять в качестве продукта).
Возможны несколько вариантов результатов интенсификации:
1) интенсификация способствует ускорению процесса при ухудшении
качества продукта;
2) интенсификация способствует ускорению процесса при неизменном
качестве продукта; например, увеличение скорости омывания дисперсных
частиц при растворении ускоряет процесс, но предельная концентрация
раствора не позволяет изменить содержание количества вещества в объеме
жидкости;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3) интенсификация увеличивает скорость процесса и улучшает качество
продукта; например, интенсификация процесса эмульгирования позволяет
получить эмульсию с меньшими размерами частиц.
Для
количественной
характеристики
интенсивности
используют
выражение
i
M
St
,
(2.1)
которое показывает количество перенесенного вещества (энергии) М, кг (Дж)
через единицу площади (объема) S, м2 (м3) за единицу времени t, с.
Сформулировав зависимость i от основных геометрических и режимных
параметров, физических параметров обрабатываемой среды, определяют
необходимость увеличения или уменьшения указанных параметров для
увеличения i .
Критерий i получен на основе линейных кинетических уравнений,
которые в ряде случаев не охватывают всего многообразия и сложности
явлений.
Линейные законы переноса типа
dM
 kSF , где F – движущая сила
dt
процесса; k – коэффициент скорости технологического процесса, могут быть
использованы
для
анализа
процесса
интенсификации
только
в
предположении о незначительности отклонения рассматриваемого процесса
от состояния термодинамического равновесия и малости градиентов
потенциалов переноса. Для анализа нелинейных соотношений между
потоком
переноса
и
градиентом
потенциала
используют
принципы
термодинамики необратимых процессов .
Для
большинства
тепло-массообменных,
ряда
гидромеханических
процессов при инженерных решениях по выбору факторов, на которые
необходимо
воздействовать
для
увеличения
i,
можно
использовать
пропорциональность М параметрам S, F и k. Обычно для интенсификации
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тепломассообменных процессов применяют перемешивание, организацию
потоков
и
специальные
физические
эффекты.
Для
интенсификации
механических и гидромеханических процессов необходимо активное влияние
на движение отдельных элементов жидкости, газа и твердых тел.
2.2. МЕТОД ФОРМАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ,
ВЛИЯЮЩИХ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ТП
Рассмотрим метод на примере интенсификации процесса теплообмена
[10, 33].
Интенсивность теплообмена можно выразить как:
i
t  t K
t H  t K
Q
 Kt  K H

t
St
2,3 lg H  1    i  1 2,3 lg t H

t K
t  2 
t K
 1
,
(2.2)
где K – коэффициент теплопередачи; S – поверхность теплообмена; t –
время; Δt – средняя разность температур; Δtн, Δtк – начальная и конечная
разность температур между теплоносителями; α1, α2 – коэффициенты
теплоотдачи;
δi
–
толщина
стенки,
осадка,
загрязнений;
λi
–
теплопроводность стенки, осадка, загрязнений.
Эту зависимость можно использовать для составления наглядной схемы
действий по интенсификации конкретного теплообменного процесса,
обозначив ↑ – необходимость увеличения и ↓ – необходимость уменьшения
того или иного параметра.
Зависимость (2.2) можно записать в виде:
i↑ = Δtн↑, Δtк↓, α1↑, δi↓, λi↑, α2↑
.
(2.3)
Такая схема наглядно показывает направление изменения тех или иных
параметров процесса или конструктивных характеристик аппарата для
интенсификации процесса теплообмена.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Необходимо увеличивать коэффициенты теплоотдачи α1 и α2 для обоих
теплоносителей, теплопроводность материала аппарата и инкрустации λ1,
начальную разность температур Δtн; уменьшать конечную разность
температур между теплоносителями Δtк и толщину стенки теплопередающей
поверхности и загрязнений  i .
Анализ процесса и выявление лимитирующего уровня в соответствии с
изложенным выше методом позволяют отобрать из формулы (2.3) факторы,
соответствующие
по
масштабу
лимитирующему
уровню.
Анализ
формализованных зависимостей необходимо проводить с целью повышения
энергоэффективности технологического процесса.
Для определения дальнейшего направления интенсификации рассмотрим
уравнения теплопереноса и используем одно из известных выражений для α1
и α2 в виде критериальной зависимости:


l
A Re0,8 Pr 0,33 Pr/ PrCT 
0, 25
(2.4)
Откуда, не учитывая (Pr/ PrCT)0,25, получаем
  A0,67V 0,8l 0, 2  0,8C p0,33 0, 47 ,
Здесь λ – теплопроводность теплоносителя;
(2.5)
l – определяющий
линейный размер (например, толщина слоя теплоносителя); Re  V lp /  –
критерий Рейнольдса; Pr   / a  – критерий Прандтля; V – скорость;
a   / C p   – коэффициент температуропроводности; ρ – плотность; Ср –
теплоемкость.
Тогда формула (2.3) примет вид:
i=Δtн↑Δtк↓δст↓λст↑λзагр↑δзагр↓λ1↑V1↑ρ1↑Cp2↑l1↓μ1↓λ2↑V2↑ρ2↑Cp2↑l2↓μ2↓ (2.6)
Индексы
1
теплоносителей.
и
2
относятся
к
характеристикам
потоков
двух
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Программа интенсификации ТП включает в себя как режимно технологические,
так
и
аппаратно-конструктивные
характеристики
теплообменного процесса на различных уровнях иерархии системы.
Рассмотрим программу интенсификации массообменного процесса [33].
Если использовать основное уравнение процесса массопереноса, то для
наиболее распространенных тарельчатых массообменных аппаратов фактор
интенсивности можно определить по формуле
i  M /   KSC /  ,
(2.7)
где М – масса вещества, перенесенного в единицу времени;  = n( б +  с ) =
nS(Hб + Hc ) – объем тарельчатого аппарата; n – число секций в аппарате;  б ,
с
–
соответственно
объем
рабочей
(например,
барботажной)
и
сепарационной зон одной секции аппарата; S – площадь поверхности полотна
тарелки; Нб, Нс – соответственно высота барботажной и сепарационной зон; K
– коэффициент массопередачи, отнесенный к 1 м2 полотна тарелки; ΔC –
разность концентраций (движущая сила процесса).
Для противоточного аппарата, считая коэффициент массопередачи
независящим от концентрации, запишем
i  KC /n H б  H с 
(2.8)
Из формулы (2.8) видно, что на величину фактора интенсивности
оказывает влияние параметр K, характеризующий кинетику массообменного
процесса,
параметры
ΔС
и
n,
тесно
связанные
со
статическими
характеристиками процесса, в частности, с равновесием между фазами,
определяемые термодинамическими свойствами компонентов системы, а
также
параметрами
Нб
и
Нс.
Последние
зависят
в
основном
от
конструктивных особенностей аппарата и физико-химических свойств
перерабатываемых продуктов. Если использовать понятие эффективности
ступени контакта  , то
i  KC /nm H б  H c  ,
(2.9)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где nm – число необходимых теоретических ступеней контакта. Тогда
алгоритм интенсификации массо-обменного процесса можно записать так:
i↑ = η↑K↑ΔC↑nт↓Нб↓Нс↓
(2.10)
Если анализ показывает, что лимитирующим является молекулярный
уровень,
то
необходимо
искать
пути
увеличения
коэффициента
массопередачи K.
Для того чтобы учесть энерго- и материалоемкость технологической
системы, введем в качестве параметра, характеризующего интенсивность ТП,
удельную производительность, т.е. производительность, отнесенную к
количеству энергии и времени, затраченных на реализацию процесса, объем
или площадь аппарата:
и
M
Et S 
,
(2.11)
Метод формального анализа параметров, влияющих на интенсивность
ТП, показывает направление общего подхода при первичном рассмотрении
технологической
системы
с целью ее модернизации
и повышении
энергоэффективности.
2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В настоящее время, в условиях рыночных отношений, первоочередными,
принципиальными
задачами
в
сфере
производства
АПК
являются
интенсификация действующих производственных процессов, повышение
качества продукции, экономия материалов и энергии и, в конечном итоге,
повышение энергоэффективности технологических систем [34]. Выявление
резервов производства или конкретного процесса, как правило, связано с его
анализом на основе современных методов исследования и современных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
технических средств [35]. При этом, особое внимание уделяется моделям
технологических процессов и способам их построения.
Моделирование технологических процессов
При решении ряда задач, связанных с проектированием, подготовкой и
функционированием технологических процессов а АПК прибегают к их
моделированию, т. е. к изучению отдельных сторон, характеристик, свойств
ТП не на реальном объекте, а на его модели. Под моделью понимают такую
мысленно представленную или материально реализованную систему,
которая, отображая объект исследования, способна воспроизводить с той или
иной точностью его функции и замещать его на определенном этапе
исследования.
Таким образом,
существенные
модель — это некоторая система, сохраняющая
свойства
оригинала
и
допускающая
исследование
определенных свойств последнего физическими или математическими
методами.
Иными словами, модель — это отображение, описание
технологического объекта (процесса или оборудования) с помощью
некоторого языка, разработанное для достижения определенной цели. К
настоящему времени разработана общая теория моделирования сложных
систем, которая указывает на возможность использования различных видов
моделей для описания технических и технологических объектов.
Модель играет активную роль в исследовании ТП: с ее помощью можно с
минимальными затратами и в сжатые сроки определять различные
характеристики ТП, такие как затраты энергии, расход сырья и выход
готового продукта, показатели качества этого продукта, количество отходов,
бракованных изделий, конструктивные параметры элементов оборудования.
Можно наметить и апробировать эффективную стратегию управления
технологией, произвести процедуру оптимизации и т. д.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Целесообразность моделирования ТП определяется двумя основными
условиями:
— исследование на модели дешевле, проще, безопаснее, быстрее, чем на
объекте-оригинале;
— известно правило пересчета характеристик и параметров модели в
соответствующие
величины
оригинала,
т.
к.
в
противном
случае
моделирование теряет смысл.
Цель, поставленная при разработке модели, определяет ее вид,
информативность и степень соответствия реальному объекту, т. е. при
формулировке цели необходимо тщательно отобрать те существенные
свойства, которые в полной мере характеризуют рассматриваемый объект,
определить требуемую степень соответствия модели реальному объекту
(точность модели). Это позволяет в ряде случаев упростить модель,
устранить из рассмотрения малозначимые, несущественные взаимосвязи
между величинами, снизить затраты на моделирование.
При описании технологических процессов чаще используются натурное,
физическое и математическое моделирование.
Натурное моделирование предполагает проведение экспериментального
исследования
реального
технологического
объекта
и
последующую
обработку результатов с применением теории подобия, регрессионного
анализа, таблиц соответствия. Это позволяет получить качественные или
количественные зависимости, описывающие с той или иной точностью
функционирование объекта. Однако эмпирические зависимости, основанные
на представлении процесса в виде «черного ящика», хотя и позволяют
решить
частные
технологические
задачи,
обладают
существенными
недостатками:
— эмпирические зависимости нельзя распространять на весь возможный
диапазон изменения параметров режима - они справедливы лишь при тех
условиях и ограничениях, при которых проводился натурный эксперимент;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
— такие зависимости отображают прошлый опыт, поэтому на их основе не
всегда возможно выявить и обосновать пути повышения эффективности
соответствующих технологий.
В ряде случаев эмпирические зависимости носят качественный характер,
т. е. устанавливают лишь характер влияния одних величин на другие, без
установления количественных закономерностей.
Физическое
моделирование
также
предполагает
проведение
экспериментальных исследований с последующей обработкой результатов.
Однако такие исследования проводятся не на реальном технологическом
объекте, а на специальных лабораторных установках, которые сохраняют
природу явлений и обладают физическим подобием. Таким образом,
физическое моделирование основано на подобии процессов одной природы,
протекающих в объекте-оригинале и в физической модели, и заключается в
следующем:
— устанавливают основные, подлежащие численному определению
параметры технологического процесса, характеризующие его качество;
— рассчитывают и изготавливают одну или несколько физических моделей
в виде лабораторных или полупроизводственных (опытных, пилотных)
установок. Расчет этих установок производят на основе теории подобия, что
гарантирует возможность переноса результатов на реальный объект;
— в результате эксперимента на модели получают численные значения и
взаимосвязи выделенных параметров и пересчитывают их для оригинала.
При
физическом
моделировании
удается
получить
обширную
информацию об отдельных процессах, определяющих структуру данной
технологии.
Аналоговое моделирование связано с подобием процессов различной
природы и основано на том факте, что для различных физических явлений
существуют одинаковые закономерности их описания. Аналогичными
считаются объекты или процессы, описываемые одинаковыми по форме
уравнениями. В качестве примера можно привести уравнения Фурье и Фика .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Несмотря на различие входящих в них физических величин, все операторы
совпадают и следуют в одной и той же последовательности. Следовательно,
изучая один процесс, мы получим зависимости, справедливые (с точностью
до обозначений) для другого. Для аналогового моделирования используют
как экспериментальные методы, так и аналоговые вычислительные машины.
Аналитическое моделирование дает наиболее мощный инструмент для их
исследования
и
предполагает получение и
исследование различных
математических моделей. Так, структурные модели используются для общего
или предварительного описания объекта и позволяют выявить и определить
его элементы, их свойства и взаимосвязи между элементами и свойствами
элементов. Обычно для построения структурной модели используют аппарат
теории множеств. Классификационные модели позволяют упорядочить
исследуемые объекты, выделить в них общие признаки и ранжировать по
этим признакам. Такие модели необходимы при построении систем
автоматизации управления, создании банков данных и разработке систем
автоматизированного проектирования, информационно-поисковых систем и в
ряде
других
количественного
случаев.
Познавательные
описания
модели
закономерностей
используются
протекания
для
различных
процессов или функционирования оборудования. Они устанавливают
взаимосвязи, соотношения между величинами, характеризующими процесс
или Лабораторное оборудование.
Познавательная модель описывает, как правило, физико-химический
механизм процесса и может не содержать технологические параметры или
характеристики объекта.
Между частными моделями, описывающими отдельные процессы или
иные
структурные
составляющие
изучаемого
объекта,
существуют
взаимосвязи. Учет таких взаимосвязей, т. е. совместное решение уравнений,
описывающих отдельные единичные процессы, приводит к построению
обобщенной модели метода или способа обработки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технологические модели отличаются от познавательных тем, что целью
их построения является нахождение количественных взаимосвязей между
параметрами
режима,
условиями
функционирования
—
входами
технологической системы и показателями ее технического уровня, т. е.
выходами системы. Построение технологических моделей всегда связано с
оценкой уровня качества и повышением эффективности функционирования
технологических систем. Обычно технологические модели строятся на
основе математических моделей отдельных процессов или на основе
обобщенной модели объекта. Однако в ряде случаев полное аналитическое
описание объекта невозможно, и при построении технологических моделей
используют
некоторые
технологические
модели
эмпирические
строят
для
зависимости.
изучения
Как
отдельных
правило,
сторон
функционирования технологической системы, т. е. они носят частный
характер.
Для большинства технологических процессов в связи с их сложностью
построение единой обобщенной модели, адекватно описывающей все
стороны и особенности их протекания, затруднено или невозможно. Поэтому
при моделировании ТП используют принцип декомпозиции и решения
локальных задач, позволяющий выделять и моделировать отдельные
стороны, свойства ТП. В результате такого подхода ТП представляется
совокупностью моделей, описывающих отдельные закономерности его
функционирования и предназначенных для решения определенного круга
задач. Такое представление естественно вытекает из системного анализа,
описанного выше. Иерархичность технологии порождает иерархичность
моделей (модели ТП, ТО, ТМ), многомерность технологий — разнообразие
моделей (модели физико-химических процессов, технологий, оборудования).
Пример. В качестве примера многообразия моделей рассмотрим технологию
электрохимической размерной обработки (ЭХРО). Модели, используемые при
исследовании и описании такой технологии, показаны на рис. 2.1.
К числу частных познавательных моделей в данном случае относятся следующие:
 кинематическая (описание кинематики взаимного перемещения электродов);
 гидравлическая (описание движения жидкости в узком межэлектродном канале);
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»



электрическая (описание электрического поля в межэлектродном промежутке);
тепловая (описание поля температур);
электрохимическая (описание электродных процессов и процессов переноса в
электрохимической системе);
 химическая (описание химических стадий суммарного электродного процесса,
химических превращений вещества в растворе).
К технологическим моделям относятся модель формообразования (описание движения
границы анода при электрохимическом растворении его поверхности), модель электродаинструмента и ряд других.
Рис. 2.1. Виды моделей для описания процессов электрохимической обработки
материалов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В основе моделирования лежат основные представления теории
подобия, в соответствии с которой явления, процессы называются
подобными, если данные, полученные при изучении одного из них, можно
распространить на другие. Для подобных явлений необходимо постоянство
отношений некоторых величин, характеризующих процесс, или сочетаний
таких величин, называемых критериями подобия [табл. П1,2,3]. Так,
например, при изучении течения жидких сред широко используется критерий
Рейнольдса:
Re 
d
,

где v — cкорость потока жидкости, м/с; d — гидравлический диаметр
потока, м; ν — кинематическая вязкость среды, м2/с. Число Рейнольдса —
безразмерная величина, от значения которой зависит характер движения
жидкости, распределение скоростей течения по сечению канала и другие
параметры потока.
Основная (третья) теорема подобия гласит, что для подобия явлений
необходимо и достаточно, чтобы их условия однозначности были подобны.
Это означает, что должны соблюдаться геометрическое подобие, подобие
физических констант, начальных и граничных условий, а критерии подобия,
составленные из величин, входящих в условия однозначности, были бы
одинаковы. Следовательно, все подобные явления отличаются друг от друга
только масштабами характерных величин. Таким образом, если явления или
процессы подобны, то закономерности, полученные при изучении одних из
них, можно переносить на другие, а модельные результаты пересчитать с
учетом масштабных факторов.
Суммируя сказанное, можно заключить, что основное требование к
модели состоит в ее соответствии моделируемому объекту. Степень
соответствия модели тому реальному явлению, которое она описывает,
называют адекватностью модели. Доказательство адекватности — один из
основных этапов построения любой модели. Для количественной оценки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
адекватности используют понятие «точность модели». Каждая модель
должна сопровождаться информацией о ее точности для надежного
использования результатов моделирования.
Точность
детерминированных
величин
определяется
отклонением
результата моделирования х* от соответствующей ему реальной величины х,
а
точность
стохастических
моделей
оценивают
вероятностными
характеристиками.
Для обеспечения адекватности модели на этапе ее построения
рекомендованы следующие правила:
 выбирают рациональную последовательность построения модели;
 используют
итеративный
процесс
построения
модели,
т.
е.
многоэтапную процедуру ее разработки с оценкой промежуточных
результатов,
анализом
их
точности
и
коррекцией
модели
предыдущего этапа;
 уточняют модели на основе имеющихся экспериментальных данных;
 уточняют
модели
на
основе
получения
экспертных
оценок,
результатов функционирования объекта и прочих дополнительных
данных.
Усложнение технологических процессов в АПК, увеличение числа
параметров, значимых при построении моделей, ужесточение сроков
моделирования, ограничение материальных средств, выделяемых на эти цели,
— все эти факторы затрудняют, а в некоторых случаях исключают
предметное
моделирование.
математическое
Поэтому
моделирование
ТП
на
с
первый
план
использованием
выдвигается
современных
компьютерных технологий
Математическим
моделированием
ТП
называют
исследование,
осуществляемое путем решения системы математических соотношений,
описывающих ТП, и имеющее три этапа:
 составление математического описания процесса или его элемента;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 выбор метода решения системы уравнений математического описания
и реализация его в виде алгоритма, программы для получения
количественных величин или соотношений;
 установление адекватности модели оригиналу.
При построении математических моделей реальный процесс упрощается,
схематизируется, и полученная схема в зависимости от ее сложности
описывается тем или иным математическим аппаратом. В конкретном случае
математическое описание представляется в виде системы алгебраических,
дифференциальных, интегральных уравнений или их совокупности.
С точки зрения анализа математической модели целесообразно выделить
три ее стороны:
 смысловой аспект отражает физическое описание моделируемого
объекта;
 аналитический аспект представляет собой систему уравнений,
описывающих происходящие процессы и взаимосвязи между ними;
 вычислительный — метод и алгоритм решения, реализованные в виде
программы на одном из языков программирования.
В последнее время для исследования сложных систем, в том числе
технологических процессов, все большее применение находит имитационное
моделирование, в основе которого лежит машинный эксперимент. Для
реализации математической модели строится моделирующий алгоритм,
воспроизводящий процесс функционирования системы во времени. Путем
изменения входных данных получают сведения о состояниях процесса в
заданные моменты времени, по которым оценивают характеристики объекта.
Таким образом, при имитационном моделировании имеют дело с моделями,
по которым нельзя заранее рассчитать или предсказать результат.
Пример.
Рассмотрим в качестве примера моделирование процесса
электрохимической анодной обработки материала, описанного ранее (рис. 2.2. б). Эта
технология получила распространение при изготовлении пространственно сложных изделий в энеретике, таких как лопатки турбин и компрессоров. С технологической точки
зрения необходимо уметь рассчитывать время t, необходимое для снятия слоя металла
толщиной z (машинное время обработки), или же величину слоя металла (припуска) z п,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
снятого за время t. Для получения расчетных зависимостей воспользуемся частной
моделью плоскопараллельного межэлектродного промежутка (МЭП), смысловой аспект
которой ясен из рис. 2.2. а. Как видно, электрод-инструмент (ЭИ) движется поступательно
со скоростью vи, а на поверхности анода (А) формируется эпюр локальных скоростей
электрохимического растворения vэ, межэлектродный промежуток заполнен
электролитом, а между электродами приложено напряжение U.
Сделаем некоторые допущения, упрощающие модель. Пусть скорость
электрохимического растворения одинакова для всех точек анодной поверхности и
свойства электролита также одинаковы для всех точек МЭП. Тогда для описания процесса
можно воспользоваться законами Ома и Фарадея:
U
ia

Vэ 
и
с i

,
где U — напряжение на электродах; i — плотность тока; а — текущий межэлектродный
зазор; χ — удельная электропроводность электролита; с — электрохимический эквивалент
металла; η — выход по току реакции растворения металла; ρ — плотность
обрабатываемого металла.
Из расчетной схемы следует, что da/dt = vэ - vи, поскольку растворение поверхности
компенсируется смещением ЭИ в сторону заготовки. Отсюда получаем дифференциальное
уравнение, описывающее изменение МЭП во времени:
da A(a, t )

 c (t )
dt
a
(2.12)
при начальном условии t= 0; a = a0.
Анализ модели значительно упрощается, если принять A = const. Такое допущение
корректно для многих практически важных задач. Рассмотрим два случая, реализуемые в
большинстве схем электрохимического формообразования: vи= 0 (случай неподвижного
ЭИ) и vи = const (движение ЭИ с постоянной скоростью). Интегрируя приведенное выше
дифференциальное уравнение, получаем для первого случая:
a  (a  2 At )
2
M
1
2
(2.13)
а для второго:
a0
a0
a
a
 2e
(
 1) exp ( )  (
 1) exp (
) exp (
)
A
A
A
A
2
(2.14)
Преобразуя полученные выражения, можно получить зависимости времени от
величины МЭП.
Несмотря на упрощенный характер предложенной модели, она успешно используется
в технологических расчетах и во многих случаях хорошо описывает экспериментальные
данные.
Однако в тех случаях, когда отношение длины межэлектродного зазора к его
l
k
ширине
достаточно велико (в реальных процессах k достигает значений 200–
a
1000), свойства электролита по длине МЭП сильно изменяются из-за сопутствующего
выделения тепла и газа, и сделанные выше допущения неприемлемы.
Необходимо строить модели, в которых учитываются зависимости параметров
процесса от координаты гидравлического тракта и времени.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для получения подобных зависимостей широко используется физическое
моделирование. На рис. 2.2.б приведена физическая модель длинномерного МЭП,
позволяющая получать распределения плотности тока, температуры электролита,
газосодержания, эффективной электропроводности межэлектродной среды, локальной
скорости съема металла и других параметров по длине МЭП прямым экспериментом.
Насос 1 прокачивает электролит через гидравлический тракт, образованный
плоскопараллельными электродами 2 и 3, встроенными в диэлектрические плиты 4.
Величина межэлектродного зазора определяется толщиной сменной прокладки 5 и
изменяется в пределах 0,2—2 мм. Варьируемыми параметрами режима электролиза
являются: величина зазора, напряжение на электродах, входное давление электролита, его
состав, начальная температура, скорость подачи катода на анод, длина МЭП, материал
электродов. Газовыделение, профиль скоростей течения электролита изучались с помощью скоростной киносъемки процесса, для получения распределения локальных
плотностей тока по длине МЭП использовался секционный анод, распределения давления
и температуры фиксировались тензодатчиками давления и термопарами, специальными
зондами измерялись электродные потенциалы в различных сечениях МЭП. Изменение
съема металла по длине канала фиксировалось прямыми измерениями.
Анализ показывает наличие соответствия между представленной физической
моделью и оригиналом: соблюдается геометрическое, гидравлическое, электрическое
подобие, подобие физических констант, начальных и граничных условий. Поэтому
полученные экспериментальные данные позволили не только уточнить математическую
модель, но и получить технологические результаты, пригодные для непосредственного
использования в производственных условиях.
Рис. 2.2.. Схема к построению математической модели (а) и установка для физического
моделирования процесса ЭХРО в узком длинномерном зазоре (б)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, приведенный пример показывает, что различные виды моделей
дополняют и уточняют друг друга, давая в совокупности надежные данные для
практического использования. К настоящему времени трудно найти такие области, в
которых отсутствовал бы развитый аппарат математического моделирования основных
процессов.
2.4. МЕТОДОЛОГИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Технология
компьютерного
моделирования
является
основой
целенаправленной деятельности, смысл которой состоит в обеспечении
возможности фактического эффективного выполнения на компьютере
исследований
функционирования
сложных
систем.
С
ее
помощью
организуются действия исследователя на всех этапах его работы с моделями,
начиная от изучения предметной области и выделения моделируемой
проблемной ситуации и кончая построением и реализацией компьютерных
экспериментов для анализа поведения системы.
Говоря о технологии моделирования, следует отметить два важных
аспекта:
 методологическую составляющую технологии как науки, занимающейся выявлением закономерностей, применение которых на
практике позволяет находить наиболее эффективные и экономичные
приемы компьютерного моделирования объектов (систем);
 прикладные цели и задачи технологии как искусства, мастерства,
умения достигать в ходе компьютерного моделирования сложных
объектов практически полезных результатов.
В
представленной
на
рис.
схеме
2.3.
организации
процесса
компьютерного моделирования (имитации) основная цепочка (реальный
технологический
объект
(система)
–
математическая
модель
–
моделирующий алгоритм – программа –вычислительный эксперимент)
соответствует традиционной схеме, но в основу ставится понятие триады:
модель – алгоритм –программа (блоки 4, 5, 6), стратегическое и тактическое
планирование вычислительного эксперимента (блок 7), интерпретация и
документирование его результатов (блок 8).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На первом этапе построения ММ выбирается (или строится) «эквивалент»
технологического объекта, отражающий в математической форме важнейшие
его свойства – законы, которым он подчиняется, связи, присущие
составлющим его элементам, и т.д. Математическая модель (или ее
фрагменты) исследуется теоретическими методами, что позволяет получить
важные предварительные знания об объекте.
Рис.2.3. Схема организации компьютерного моделирования
Второй этап связан с разработкой метода расчета сформулированной
математической
задачи,
или,
как
говорят,
вычислительного
или
моделирующего алгоритма. Фактически он представляет собой совокупности
алгебраических формул, по которым ведутся вычисления, и логических
условий, позволяющих установить нужную последовательность применения
этих формул. Вычислительные алгоритмы должны не искажать основные
свойства модели и, следовательно, исходного технологического объекта,
быть экономичными и адаптирующимися к особенностям решаемых задач и
используемых
компьютеров.
Как
правило,
для
одной
и
той
же
математической задачи можно предложить множество вычислительных
алгоритмов. Однако, требуется построение эффективных вычислительных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
методов, которые позволяют получить решение поставленной задачи с
заданной точностью за минимальное количество действий (арифметических,
логических), то есть с минимальными затратами времени. Эти вопросы
весьма существенны и составляют предмет теории численных методов.
Вычислительный эксперимент имеет "многовариантный" характер. Решение
любой прикладной задачи зависит от многочисленных входных переменных
и параметров. Например, если рассчитывается технологическая установка, то
имеется множество различных режимных переменных и конструктивных
параметров, среди которых нужно определить их оптимальный набор,
обеспечивающий эффективное функционирование этой установки. Получить
решение соответствующей математической задачи в виде формулы,
содержащей явную зависимость от режимных переменных и конструктивных
параметров, для реальных задач, как говорилось выше, не удается. При
проведении вычислительного эксперимента каждый конкретный расчет
проводится при фиксированных значениях переменных и параметров.
Проектируя оптимальную установку, то есть, определяя в пространстве
переменных и параметров точку, соответствующую оптимальному режиму,
приходится проводить большое число расчетов однотипных вариантов
задачи, отличающихся значениями некоторых переменных или параметров.
Поэтому очень важно опираться на эффективные численные методы.
Третий этап – создание программы для реализации разработанного
моделирующего алгоритма (создание компьютерной модели). В процессе
исследования реальных систем часто приходится уточнять модели, что влечет
за собой перепрограммирование моделирующего алгоритма. Процесс
моделирования в этом случае не будет эффективным, если не обеспечить его
гибкости.
Для
этой
цели
можно
использовать
формальные
схемы,
описывающие классы математических моделей из определенной предметной
области, поскольку программировать тогда нужно функционирование данной
схемы, а не описываемые ею частные модели.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Создав триаду «модель – алгоритм – программа», исследователь
получает в руки универсальный, гибкий и сравнительно недорогой
инструмент, который вначале отлаживается и тестируется в «пробных»
вычислительных экспериментах. После того как адекватность триады
исходному технологическому объекту удостоверена, с моделью можно
проводить разнообразные «опыты», дающие все требуемые качественные и
количественные свойства и характеристики объекта. Процесс компьютерного
моделирования сопровождается улучшением и уточнением, по мере
необходимости, всех звеньев триады.
Обратимся теперь к блоку 7. Вычислительный эксперимент – это
собственно проведение расчетов на компьютере и получение информации,
представляющей интерес для исследователя. Конечно, точность этой
информации
определяется
достоверностью,
прежде
всего
модели,
моделирующего алгоритма и программы . Именно по этой причине в
серьезных
прикладных
исследованиях
нигде
не
начинают
вести
полномасштабные расчеты сразу же по только что написанной программе.
Им всегда предшествует период проведения тестовых расчетов. Они
необходимы не только для того, чтобы "отладить" программу, то есть
отыскать и исправить все ошибки и опечатки, допущенные как при создании
алгоритма, так и при его программной реализации. В этих предварительных
расчетах тестируется также сама математическая модель, выясняется ее
адекватность исследуемому объекту. Для этого проводится расчет некоторых
контрольных экспериментов, по которым имеются достаточно надежные
измерения. Сопоставление этих данных с результатами расчетов позволяет
уточнить математическую модель, обрести уверенность в правильности
предсказаний, которые будут получены с ее помощью. Только после
проведения работы в вычислительном эксперименте наступает фаза прогноза
(имитации) — с помощью компьютерной модели предсказывается поведение
исследуемого объекта в условиях, где натурные эксперименты пока не
проводились
или
где
они
вообще
невозможны.
Важное
место
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вычислительном эксперименте занимает обработка результатов расчетов, их
всесторонний анализ и, наконец, выводы. Эти выводы бывают в основном
двух типов: или становится ясна необходимость уточнения модели, или
результаты, пройдя проверку, передаются заказчику. При оптимизации или
проектировании технологического объекта из-за сложности и высокой
размерности математической модели проведение расчетов по описанной
выше схеме может оказаться чересчур дорогим. И здесь идут на упрощение
модели, на построение своего рода инженерных методик (формул), но
опирающихся на сложные модели и расчеты и дающих возможность
получить необходимую информацию значительно более дешевым способом.
При этом проводится огромная предварительная работа по анализу сложных
моделей, квинтэссенцией которой и являются простые на первый взгляд
формулы.
Априорные принципы оптимизации проведения процесса
При
проведении
технологического
процесса
всегда
возникает
возможность выбора нескольких вариантов решения. Один из них будет
наиболее целесообразным. Выбор наиболее целесообразного варианта
получил название оптимизации.
В качестве критерия оптимизации чаще всего выбирается энерго- и
ресурсозатраты на производство продукции, что создает некоторую
неустойчивость критерия. Оптимизация всегда сводится к нахождению
наиболее
выгодного
компромисса
между
значениями
параметров,
противоположно влияющих на процесс. Минимум стоимости достигается
выбором целесообразного проведения процесса и его аппаратурного
оформления. Каждый процесс требует индивидуального подхода, но
имеются некоторые общие, универсальные решения, которые могут быть
сформулированы следующим образом.
а) Непрерывность процесса. Преимущества непрерывных процессов:
 экономия энергии и материалов;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 уменьшение размеров установок при той же производительности,
облегчение проведения автоматизации и контроля;
 улучшение условий безопасности труда;
 устойчивость технологического режима и стабильность качества
выпускаемого продукта.
Можно
постулировать
принцип:
оптимально
организованный
процесс — это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый
процесс.
б) Противоточность обменивающихся потоков. В непрерывном потоке
возможны
различные
направления
взаимодействующих
потоков:
параллельные потоки, противоток, перекрестные потоки. Анализ тепло- и
массообмена в непрерывном потоке показывает, что, как правило, наиболее
благоприятным является противоточный процесс. Поэтому может быть
высказано
следующее
утверждение:
при
осуществлении
обменных
процессов в непрерывном потоке оптимальным является процесс,
совершаемый в противотоке;
в) Обновление поверхности контакта фаз. Чем чаще встречаются друг с
другом свежие, не вступавшие ранее в контакт элементы среды, тем
интенсивнее протекает процесс. Поэтому при конструировании аппаратуры
для
переноса
теплоты
и
массы
оптимальным
является
вариант,
предусматривающий турбулентный режим и обеспечивающий максимальное
соприкосновение контактирующих сред при непрерывном обновлении
поверхности контакта;
г) Использование
отходящей теплоты. При необходимости подвода
теплоты наиболее распространенным тепловым агентом является водяной
пар. В ряде процессов при их проведении возникает вторичный пар меньшего
давления. Водяной пар обладает замечательным свойством — практическим
постоянством
теплосодержания
при
изменении
давления,
и
можно
использовать вторичный пар для производства, что дает значительную
экономию теплоты (энергии).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.5. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ
ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (ЭТП)
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Оценка производится на основе анализа энергетического балансового
уравнения, составленного по структурным и параметрическим схемам
системного анализа исследуемого сельскохозяйственного объекта [38].
Основной характеристикой каждого исследуемого блока (элемента) в системе
является его энергоемкость. Для более глубокого анализа процессов в
энергетических блоках с учетом их физической природы может применяться
наиболее адекватный в каждом конкретном случае математический аппарат:
вектор Умова-Пойнтинга при электроэнергетическом анализе, световой
вектор (вектор Гершуна) при фотоэнергетическом анализе, зависимости
продуктивности СБО от внешних воздействий при биоэнергетическом
анализе и т.д.
Уравнение энергетического баланса:
Qн  Qк  Q
(2.15)
 ,
где Qн – энергия на его входе; Qк – энергия на его выходе; Q
 ,
–
потери энергии;  ,  –обобщенные координаты, в которых описываются
изменения составляющих вектора
параметров,
численно
X jс
размерностью
характеризующих
m
( X j – набор
создаваемые
условия
функционирования СБО
Выражение для энергоемкости в абсолютных единицах:

Qн
Qк
 ,
.
(2.16)
Выражение для энергоемкости в относительных единицах:
  k  н ,
где k  - коэффициент отклонения энергоемкости;
(2.17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 н - номинальное значение энергоемкости.
Критерий оптимизации функционирования ИБЭС
m
П
П
 0;
 min ,
X j
j 1 X j
где П
(2.18)
- денежное выражение разницы между доходом, получаемым
при реализации продукции ИБЭС и затратами на ее получение (прибыль).
Условие оптимизации
m


 min
 0;
X j
j 1 X j
(2.19)
Коэффициент эффективности i -го этапа ЭСМ
k ЭСМi 
i
 i ,
(2.20)
где k ЭСМ - коэффициент эффективности внедрения интенсификации ЭТП  i энергоемкость этапа в базовом варианте его проведения;
 i - энергоемкость этапа при проведении интенсификации процесса.
Функциональные зависимости   f  ( ) характеризуют зависимость
энергоемкости этапа с параметром  от величины параметра  .
При анализе задаются начальные, краевые, граничные условия и
ограничения, характерные для функционирования СБО в рамках ИБЭС.
Значение
энергоемкости
n
последовательно
соединенных
энергетических блоков в системе подчиняется мультипликативному закону
n
  i
(2.21)
i 1
При параллельном соединении n энергетических блоков (с долей
потребляемой энергии  i каждым), выполняется аддитивный закон для
обратных величин
1

i
.
i 1  i
n

(2.22)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент общей эффективности из n объектов вычисляется по
мультипликативному закону
n
k ЭСМ   k ЭСМi
(2.23)
i 1
Обоснование
зависимостям
режима
  f  ( ) ,
ЭТП
производится
путем
по
проведения
функциональным
соответствующих
организационно-технических мероприятий.
Энергосберегающий алгоритм управления ЭТП формируется по
критерию поддержания минимального значения энергоемкости в объектах
системы в любой момент времени, по результатам постоянного мониторинга
параметров ЭТП.
Представленная методика имеет практическую значимость и позволяет
формулировать рекомендации по повышению энергоэффективности работы
сельскохозяйственного производства.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г л а в а 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИКИ ПРОЦЕССА
ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ИНЖЕНЕРНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
ИЗМЕЛЬЧАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При измельчении твердых частиц наблюдается их активация – сложный
многоступенчатый процесс изменения энергетического состояния вещества.
Активации способствуют
такие явления, как изменение структуры
кристаллической решетки вещества, частичная аморфизация поверхности и
приповерхностных слоев частиц, различные виды излучений, возникающие
при разрушении, изменение вида химических связей на поверхности и в
глубинных слоях вещества, электронизация и другие процессы [39 - 44].
Исследования [44 - 50] показывают, что эту накопленную энергию
можно использовать для интенсификации и повышения энергоэффективности
различных процессов с участием активированной твердой фазы:
− существенного повышения реакционной способности твердых тел;
− ускорения твердофазных и каталитических реакций и реакций в
полимерных системах;
− повышения скоростей диффузии, тепло- и массообмена при
реализации комбинированных процессов в системах газ – твердое тело,
жидкость – твердое тело;
− увеличения растворимости, т.е. скоростей растворения, и сублимации
твердых тел;
− изменения реологических и физико-химических свойств полимерных и
коллоидных систем;
− получения новых композиционных материалов с уникальными
физико-механическими свойствами и т.д.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процессы механической активации твердых тел особенно интенсивно
осуществляются при тонком измельчении частиц в мельницах различного
конструктивного оформления [43,44,46].
Классификация процесса измельчения
В зависимости от размера кусков исходного сырья и конечного
продукта измельчение условно делят на несколько классов:
Размер кусков до из- Размер кусков после
мельчения
измельчения
d н , мм
d к , мм
Класс измельчения
Дробление
крупное
среднее
мелкое
Помол
грубый
средний
тонкий
коллоидный
1000
250
20
250
20
1−5
1−5
0,1−0,04
0,1−0,04
−0,1
0,1−0,04
0,005−0,015
0,001−0,005
−0,001
Степень измельчения
Отношение размеров кусков до измельчения и после измельчения
называют степенью измельчения.
Различают линейную ( i  d н / d к ) и объемную ( а  н / к ) степени
измельчения. Здесь d и υ – размер и объем кусков до (с индексом «н») и после
(с индексом «к»).
Вопрос о том, по размеру какого куска (наибольшего, среднего или
наименьшего) выбирать значения d н ,  н , d к и  к остается до настоящего
времени нерешенным. Чаще всего значения этих величин устанавливают по
размеру наибольшего куска, но и само понятие «наибольший кусок» трудно
определить, особенно когда измельчают многотоннажные материалы. Если
учесть, что и понятие «степень измельчения» тоже является условным,
характеризующим
главным
образом
качественную
сторону
процесса
измельчения, то понятие «наибольший кусок» для этой цели вполне
приемлемо.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Практический размер «наибольший кусок» определяется отверстием
сита, через которое проходит сыпучий материал. При этом форма отверстия
сит для исходного и измельченного материалов должна быть одинаковой
(круглой, квадратной, прямоугольной и т.п.).
Крупность кускового и порошкообразного материалов с указанием
линейных размеров наибольшего и наименьшего кусков может быть
охарактеризована одним из следующих способов.
1. Нижний (  d ) и верхний (  d ) пределы крупности. Верхний предел
крупности (  d ), что означает «не крупнее d»; нижний предел крупности
(  d ), что означает «не мельче d».
2. Фракционный
состав материала, выраженный
в долях
или
процентах.
3. Удельная
поверхность
материала,
т.е.
поверхность
частиц,
приходящаяся на единицу массы или объема материала.
Материал также можно охарактеризовать допустимым процентным
содержанием
какой-либо
фракции:
крупной,
средней
или
мелкой.
Разработаны специальные приборы и методы определения фракционного
или, что то же самое, гранулометрического состава, а также удельной
поверхности кускового и порошкообразного материалов. Эти приборы и
методы описаны в специальной литературе, ссылки на которую приведены в
конце книги.
Способы измельчения
Твердый материал можно разрушить и измельчить до частиц желаемого
размера
раздавливанием,
раскалыванием,
разламыванием,
резанием,
распиливанием, истиранием, ударом и различными комбинациями этих
способов.
Раздавливание – тело под действием нагрузки деформируется по всему
объему и, когда внутреннее напряжение в нем превысит предел прочности
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сжатию, разрушается. В результате такого разрушения получают частицы
различного размера и формы.
Раскалывание
– тело разрушается на части в местах концентрации
наибольших нагрузок, передаваемых клинообразными рабочими элементами
измельчителя. Образующиеся при этом частицы более однородны по
размерам и форме, хотя форма, как и при раздавливании, непостоянна.
Способ
раскалывания
по
сравнению
с
раздавливанием
позволяет
регулировать крупность получаемых частиц.
Разламывание
– тело разрушается под действием изгибающих сил.
Размеры и форма частиц, получающихся при разламывании, примерно такие
же, как и при раскалывании.
Резание – тело делится на части заранее заданных размеров и формы.
Процесс полностью управляемый.
При распиливании
результаты получаются такие же, как и при
резании. Процесс полностью управляем, и частицы имеют заранее заданные
размер и форму.
Истирание
растягивающих
–
и
тело
измельчается
срезающих
сил.
под
При
действием
этом
сжимающих,
получают
мелкий
порошкообразный продукт.
Удар
– тело распадается на части под действием динамической
нагрузки. При сосредоточенной нагрузке получается эффект, подобный тому,
что происходит при раскалывании, а при распределении нагрузки по всему
объему эффект разрушения аналогичен раздавливанию.
Различают разрушение тела стесненным и свободным ударом. При
стесненном ударе тело разрушается между двумя рабочими органами
измельчителя. Эффект такого разрушения зависит от кинетической энергии
ударяющего тела. При свободном ударе разрушение тела наступает в
результате столкновения его с рабочим органом измельчителя или другими
телами в полете. Эффект такого разрушения определяется скоростью их
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
столкновения независимо от того, движется разрушаемое тело или рабочий
орган измельчителя.
Из
перечисленных
измельчения
оказались
способов
пригодными
раскалывание,
для
разламывание,
промышленного
раздавливание,
истирание и удар.
Раскалывание применяют для получения кусковых материалов;
разламывание обычно сопутствует другим способам при крупном, среднем и
мелком измельчении, а разрезание и распиливание применяют в тех случаях,
когда нужно получить куски материала определенного размера и заданной
формы.
Истирание применяют для тонкого измельчения мягких и вязких
материалов. При этом его всегда комбинируют с раздавливанием или ударом.
Истирание улучшает процесс тонкого измельчения и перемешивания
материалов, но при этом увеличиваются расход энергии и износ рабочих
элементов измельчителя. Продукты износа попадают в измельченный
материал, а это нежелательно как с точки зрения ведения самого процесса,
так и получения продуктов измельчения высокой чистоты.
В работе подавляющего большинства современных измельчителей
использованы способы раскалывания, раздавливания и удара, а также
сочетание этих способов с разламыванием и истиранием.
3.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ
Общая схема распределения потока энергии в любом измельчителе
представлена на рис.3.1.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.1 Схема распределения потока энергии в мельнице.
Подведенная
к
двигателю
мельницы
энергия
Ео
распределяется
следующим образом:
1. Энергия, теряющаяся в двигателе, подшипниках, передачах и т.п.
переходит в основном в тепло Q1 (пренебрегая износом деталей
привода).
2. Энергия, подведенная к мелющим телам и рабочим органам машины,
переходит в свою кинетическую форму. Из нее черпается энергия для
протекания всех остальных процессов в мельнице. Выделим ту часть
этой энергии, которая вследствие несовершенства конструкции, не
сообщается измельчаемому материалу и расходуется на явления не
связанные с измельчением (перемещение воздуха и т.п.). Эта часть
энергии также переходит в тепло Q2, проходя промежуточную стадию
кинетической энергии мелющих тел или воздуха.
Эти две первые составляющие энергобаланса не связаны с наличием
в мельнице измельчаемого материала и имеют место, как на рабочем,
так и на холостом ходу машины.
3. Энергия, расходуемая на различные виды деформаций и износ рабочих
поверхностей машины при трении и соударении с измельчаемым
материалом, при соударении мелющих тел между собой и т.д. Эта
компонента подведенной энергии частично переходит в тепло Q3,
частично в энергию, содержащуюся в продуктах износа Пи.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Четвертая
составляющая
распределения
энергии
есть
энергия,
подведенная к измельчаемому материалу и расходуемая на различные
процессы в обрабатываемом материале, которые, однако, не приводят к
разрушению частиц материала. Это процессы трения и деформации
материала без разрушения, трение частиц материала о воздух,
электризация измельчаемого материала. Эта доля, подведенной к
мельнице энергии частично трансформируется в тепло, частично
увеличивает
содержание
внутренней
энергии
в
измельчаемом
материале: Q4 и ΔU4. Под увеличением внутренней энергии материала
понимается увеличение той части полной внутренней энергии, которая
включает
в
электронных
себя
энергию
оболочек
кристаллической
ионов
и
атомов,
решетки,
энергию
энергию
макро
и
микродефектов структуры и т.д. Энергия хаотического (теплового)
движения микрочастиц рассматривается отдельно.
5. Энергия,
расходуемая
на
процесс
деформации
измельчаемого
материала, который приводит к разрушению частиц. Энергия,
накопленная
образованной
в
деформированном
поверхности,
в
теле
тепло,
во
переходит
в
энергию
внутреннюю
энергию
материала. При деформировании и разрушении материала возникают
различные виды электромагнитных и акустических волн, энергия
которых также может переходить во внутреннюю энергию материала и
в тепло. В процессе измельчения могут протекать различные
химические реакции, которые изменяют величину поверхностной и
внутренней энергии продукта. Соответственно в пятую компоненту
подведенной энергии входят три составляющие: энергия поверхности
материала Пм, увеличение внутренней энергии материала ΔU5, тепловая
составляющая Q5.
Т.о. уравнение энергобаланса реальной измельчающей машины имеет
вид:
Ео =  Qi + ΔUi + Пм + Пи
(3.1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Энергия поверхности измельченного продукта (Пм) является полезной.
Увеличение внутренней энергии продукта (ΔU) можно считать полезным,
когда она используется в технологических процессах, следующих за
измельчением.
Остальные
же
слагаемые
правой
части
уравнения
энергобаланса – тепловая энергия (Q) и энергия продуктов износа (Пи)
являются потерями энергии при измельчении. Данная схема описывает
распределение энергии в любой мельнице, независимо от ее конструкции.
Однако, следует отметить, что тип измельчителя, его конструктивные
особенности, режим работы, вид напряженного состояния материала при
разрушении оказывают существенное влияние на перераспределение энергии
по различным ее формам внутри общей схемы распределения потока энергии.
3.3. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕОРИЙ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
Когда напряжение в материале превышает внутренние силы сцепления
частиц, он распадается на более мелкие части, если размер этих «осколков»
велик, их снова подвергают разрушению до тех пор, пока не получат продукт
требуемой крупности.
Определение затрачиваемой при этом энергии составляет одну из
главных проблем в теории измельчения [39,40].
Первая попытка решить эту проблему была сделана Риттингером.
Согласно теории Риттингера работа, затрачиваемая на измельчение,
пропорциональна
размеру
вновь
образованной
поверхности
в
измельчаемом материале.
Решение сводится к следующему. Тело кубической формы с ребром D
разрушается любым способом до кубов с ребром d . Число полученных
кубиков, очевидно, пропорционально кубу степени измельчения, т.е.
z  D3 / d 3  i 3 .
(3.2)
Поверхность куба с ребром D:
Fн  6D 2
(3.3)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общая поверхность полученных кубов с ребром d:

Fк  6d 2 D3 / d 3

(3.4)
Вновь образованная поверхность:
F  Fк  Fн  6D 2 i  1
(3.5)
Далее принимается, что на образование единицы новой поверхности
при измельчении данного материала затрачивается постоянная работа Ау,
которая определяется опытным путем и может быть названа удельной
работой. Тогда вся работа, затрачиваемая на измельчение рассматриваемого
тела, очевидно, будет равна:
A  Aу F  6 Aу D 2 i  1
(3.6)
Предложение о прямой пропорциональности работы измельчения вновь
образованной поверхности можно считать справедливым только в случае
измельчения
тела
резанием
или
распиливанием,
когда
объем
обрабатываемого материала практически не влияет на затрату энергии. Если
измельчение производится
раздавливанием, раскалываем, ударом или
комбинированным способом, это предположение несправедливо, так как в
этих случаях не учитывается энергия, затрачиваемая на деформацию тела без
разрушения. При этом, как будет показано ниже, удельная (поверхностная)
работа зависит не только от природы материала, но и от класса, степени и
способа измельчения.
По теории В.Н. Кирпичева и Кикка энергия, требуемая для
производства аналогичных изменений в очертании геометрически
подобных тел одинакового технологического состава, изменяется
пропорционально объемам или массам этих тел.
Согласно
теории
упругости,
работа
упругих
деформаций
тел
одинакового технологического состава объемами 1 и  2 будет равна:
A1 
 21
2Е

 2G1
,
2 E
(3.7)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 22
 2G2
,
A2 

2Е
2 E
(3.8)
A1 / A2  1 / 2  G1 / G2
(3.9)
а их отношение:
Иначе говоря, расход энергии на измельчение данного материала при
прочих равных условиях прямо пропорционален его объему или массе.
В течение многих десятилетий велась дискуссия между сторонниками
теории Риттингера и сторонниками теории Кирпичева – Кикка. В ходе этой
дискуссии
сторонники
теории
Риттингера
провели
многочисленные
исследования по разработке методов определения поверхности сыпучих
материалов и установлению связи между поверхностью и размером частиц
материала, а также определению удельной работы измельчения. В этих
исследованиях
доказывалась
справедливость
предположения
о
пропорциональности работы измельчения вновь образованной поверхности.
Сторонники теории Кирпичева – Кикка также провели исследования,
подтверждающие пропорциональную зависимость работы измельчения от
объема или массы измельчаемого материала. Они обратили внимание на тот
факт, что в теории Риттингера не учитывается путь действия силы,
вызывающей разрушение тела. Это ее главный недостаток. Однако теория
Кирпичева – Кикка в ее первоначальном виде была также недостаточной для
решения практических задач. Это побудило Стедлера, одного из активных
сторонников теории Кирпичева – Кикка, предпринять попытку развить эту
теорию, придав ей математическую форму, приемлемую для инженерных
решений. Его выводы сводятся к следующему.
Согласно энергетической теории Стедлера, если под действием
внешних сил в теле возникает напряжение, превышающее предел прочности,
оно разрушается, но при этом полученные куски могут оказаться крупнее тех,
которые требуются. Тогда их подвергнут повторному разрушению, пока не
будут получены частицы размером d.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В дальнейших рассуждениях принимается, что объемная степень
измельчения при однократном разрушении данного материала r остается
постоянной независимо от размера кусков. Тогда средний объем полученных
кусков будет равен:
− при первом разрушении куба
d13  1  D3 / r ,
(3.10)
− при втором разрушении куба
d 23  2  D3 / r 2 ,
(3.11)
d 3  n  D3 / r n ,
(3.12)
r n  D3 / d 3  i 3  a ,
(3.13)
− при n-м разрушении
или
где а – объемная степень измельчения.
Отсюда число приемов разрушения, необходимое для получения из
куба размером D кубиков размером d, равно:
n  lg a / lg r  3lg D  lg d  / lg r
(3.14)
Работа измельчения (разрушения) тела по Стедлеру равна
произведению степени измельчения на разрушающую силу и на путь
действия этой силы:
A  aPl ,
(3.15)
где Р – разрушающая сила, пропорциональная площади сечения условного
тела, равна kF; k – коэффициент пропорциональности; F  3D3 / d − площадь
сечения условного тела; l – путь действия разрушающей силы, или величина
деформации тела, при которой оно разрушается; этот путь пропорционален
размеру d конечной частицы ( l  cd ).
Подставив значение а, Р и l в выражение (3.15), Стедлер получил
окончательную формулу для работы измельчения:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
A  3 kcr n D 3
(3.16)
Поскольку k, с и r константы, определяемые опытным путем, а D для
данного материала известно, то работа измельчения материала по Стедлеру
есть сложная функция числа приемов измельчения.
Формула (3.15) не получила практического применения. Выражение
работы измельчения через произведение степени измельчения на условную
силу и условный путь физически не обоснованно. Введение коэффициентов
пропорциональности k и с только усугубляет трудность практического
применения этой формулы.
Соображения Стедлера о том, что измельчение тела происходит в
несколько приемов разрушения и что расход энергии измельчения зависит от
числа этих приемов, были учтены более поздними исследователями и
соответствующим образом использованы.
Л.Б. Левенсон, основываясь на теории Кирпичева – Кикка, предложил
следующий упрощенный путь определения энергии, затрачиваемой на
измельчение материала. Если вместо напряжения σ в выражение работы
упругих деформаций (3.7) подставить разрушающее напряжение (предел
прочности)  р , получим работу, затраченную на разрушение всего
деформируемого объема куска материала или продукта с частицами
размером, приближающимся к нулю. При этом степень измельчения
теоретически достигает бесконечности. Фактически объем, подлежащий
измельчению, можно принять равным
  D3  d 3
(3.17)
Тогда формула работы, затраченной на измельчение тела объемом D 3
до частиц объемом d 3 , примет вид:
A0 
 p2
D
2E
3
d
3

 p2 d 3
2E
i
3

1
(3.18)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эта формула была рекомендована для определения расхода энергии,
затрачиваемой на измельчение материала.
Хотя при расчете машин грубого измельчения по этой формуле иногда
получают результаты, близкие к практическим, она не обоснована.
Классическое выражение работы упругих деформаций вовсе не предполагает,
что при достижении разрушающего напряжения σ деформируемое тело
должно превратиться в пыль с размером частиц, близким к нулю. При
действии на тело разрывающих или растягивающих усилий оно разделится на
две, три или большее число частиц с суммарным объемом, почти равным
объему исходного тела. То же самое можно сказать и о разрушении тела
раздавливанием. Практически его объем не меняется. Поэтому соображение
Л.Б. Левенсона о том, что деформируемый объем равен разности объемов
исходного тела и полученной в результате его разрушения частицы,
несостоятельно. Впрочем, автор этой формулы сам указывал на ее недостатки
и применял ее для определения расхода энергии только при расчетах
щековых, конусных и гладковалковых дробилок, корректируя результаты
соответствующим выбором значений  р .
В итоге многолетней дискуссии были разделены сферы применения
соперничавших теорий. Указывалось, что теория Риттингера приемлема для
определения энергетических затрат в области тонкого измельчения, а теории
Кирпичева – Кикка отводилась область мелкого, среднего и крупного
измельчения. Однако проблема установления связи между энергетическими
затратами и результатами измельчения продолжала по-прежнему оставаться
центральной темой теории измельчения.
Хоултейн еще в 1923 г. на основании своих опытов пришел к выводу,
что при измельчении материалов энергия расходуется на образование новой
поверхности, на теплоту деформации материала без разрушения, на теплоту
трения материала по рабочим поверхностям измельчителя. Ни одна из
предложенных теорий, по его мнению, не учитывает точно этих расходов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
энергии. Ни одна простая формула не применима ко всем породам и методам
дробления. Средний из обоих методов, вероятно, более близок к истине.
По теории П.П. Ребиндера, затрачиваемая на измельчение
материла энергия представляет собой сумму работ, расходуемых на
деформацию тела и на образование новых поверхностей:
A   32 / 2E  kr F ,
где

−
объем
деформируемого
(3.19)
тела;
kr
−
коэффициент
пропорциональности; F – вновь образованная поверхность при разрушении
тела.
Мысль о том, что работа измельчения пропорциональна как вновь
образованной поверхности, так и объему измельчаемого материала, нашла
свое отражение в позднейших исследованиях по измельчению.
По
теории
пропорциональна
Бонда
работа,
затрачиваемая
среднегеометрической
из
объема
на
измельчение,
и
поверхности
разрушаемого тела:
A  k F
(3.20)
Очевидно, можно записать:
  k1D3 ,
(3.21)
F  k2 D 2
(3.22)
и тогда
A  k k1k2  D3D 2  k0 D 2,5
(3.23)
Предполагая, что дробление кусков от начальной крупности D до
конечной d производится в n приемов разрушения с постоянной линейной
степенью однократного разрушения i0 , Бонд рассуждал следующим образом.
При первом приеме разрушения начальный объем куска D 3 . Число
кусков – один, поверхность кусков 6D 2 . После разрушения получаются i03
кусков размером D / i0 . При этом затрачивается работа:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
A1  k0 D 2,5
(3.24)
При втором приеме разрушаются куски, полученные после первого
приема. Размер кусков, полученных после второго приема разрушения, равен
D / i02 , поверхность каждого куска 6D / i02  , объем D / i02  , число кусков i03  .
3
2
2
При этом затрачивается работа
A  k  D / i 
2
0
0
2,5 3
i  k D 2,5i 0,5
0
0
0
(3.25)
При третьем приеме измельчения разрушаются куски, полученные
после второго приема. Размер кусков, полученных после третьего приема
разрушения, равен D / i03 , поверхность каждого куска 6D / i03  , объем D / i03  ,
2
3
число кусков i03  . При этом затрачивается работа
2
A3  k0 D / i02 
2, 5
i  i 
3 2
0
3 2
0
 k0 D 2,5 i00,5 
2
(3.26)
Приведенные рассуждения позволяют дать математическое выражение
работы, затраченной при n-м приеме разрушения:
2,5
n 1
0,5 n  1
An  k  D / i n  1   i 3 
 k D 2,5  i 
0
0
0   0
0 
(3.27)
Энергия, затраченная на измельчение, равна сумме работ, затраченных
при каждом приеме разрушения:

0,5 1
0,5 2
0,5 n  1
A  A  A  ...  An  k D 2,5 1   i    i   ...   i 
1
2
0
 0 

0 
0 


(3.28)
Выражение в квадратных скобках представляет собой геометрическую
прогрессию со знаменателем i00,5 , сумма членов которой

S  1 i00,5

n

  
 1 / i00,5  1  i0n
0,5


 1 / i00,5  1
(3.29)
Следовательно

A  k0 D 2,5 i0n
Выражение (3.30)

0, 5


 1 / i00,5  1
(3.30)
позволяет вычислить работу, затраченную на
измельчение одного куска материала объемом D 3 от начального размера D
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
до конечного d. Работа на измельчение Gт материала определяется
следующим образом.
Число кусков объемом D 3 , содержащихся в Gт материала:
z  G / D3
(3.31)
Затрачиваемая работа
A0  Az  k0 D
2,5
i 
n 0,5
0
0,5
0
i
1 G

 1 D3
(3.32)
Если учесть, что при этом степень измельчения
i  D / d  i03
можно
заменить
в
выражении
(3.32)
(3.33)
значение
i0n
и
произвести
соответствующие преобразования. Тогда затрачиваемая работа
A0
k0  1
1 G



i 1 d
D
0,5
0
(3.34)
Это формула Бонда; неизвестными в ней являются k0 и i0 .
Аналогичное обобщение было сделано А.К. Рундквистом.
Если у Риттингера работа A  f D2 , у Кирпичева – Кикка A  f D3  , а у
Бонда A  f D2,5  , то Рундквист представил работу на измельчение в общем виде:
 
A  f Dт
(3.35)
При первом приеме разрушения из кусков с начальным размеров D
получаются куски размером D / i0 , объемом D / i0 3 , число которых i03 , а
затрачиваемая работа
A1  kDт
(3.36)
При втором приеме разрушения размер исходных кусков D / i0 и их
число равно i03 . В результате разрушения получаются куски размером D / i02 ,
число которых i03i03 , а затрачиваемая при этом работа
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
A2  k ( D / i0 )т i03  kDтi03 т
(3.37)
При третьем приеме разрушения размер исходных кусков D / i0i0  , их
число i03  . В результате разрушения получаются куски размером D / i03 , их
2
число i03  , а затрачиваемая при этом работа
3
A3  k ( D / i02 ) т i03   kDт i03т 
2
2
(3.38)
При п-м приеме разрушения размер исходных кусков равен D / i0п 1 , их
число i03  . В результате разрушения получают куски размером D / iп0 , их
п1
число i03  , а затрачиваемая при этом работа равна
п
Aп  k ( D / i0т1 ) т i03 
п1
 kDт i03т  .
п1
(3.39)
Следовательно, при степени измельчения i  D / d  i0n на измельчение
тела кубической формы с ребром D затрачивается суммарная работа

A  kDт 1  i03m   i03т   ...  i03m 
1
n 1
2

(3.40)
Выражение в квадратных скобках представляет собой геометрическую
прогрессию со знаменателем i03 m , сумма членов которой



 
1 i 3m  1 i0n
 1 D / d   1 D3m  d 3m
S  03m
 3m

 3m
i0  1
i0  1
i03m
i0  1 d 3m
n
3m
3m


(3.41)
Работа, затрачиваемая на измельчение Gт материала, определяется
таким же образом, как и у Бонда. Число кусков, содержащихся в исходном
материале, определяется по формуле (3.31), а работа – по формуле:
A  kDт
D 3m  d 3m G
k
D 3m  d 3m G




i03m  1 d 3m D 3 i03m  1 d 3m D 3m 


(3.42)
После соответствующих преобразований выражение (3.41) принимает
вид:
A0 
i
k
3m
0
1 
 1
 3m  3m G
1  d
D 

(3.43)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методы решения задачи о расходе энергии на измельчение материала,
предложенные Риттингером и Кирпичевым – Кикком, основаны на
определенном физическом истолковании процесса. Методы Бонда и
Рундквиста такого истолкования не имеют. Нельзя представить себе
физический смысл выражения, определяемого как квадратный корень
произведения поверхности на объе6м тела. Также непонятна физическая
модель, когда работа измельчения пропорциональная линейному размеру в
какой-либо дробной степени.
Из представленных формул для определения работы, затрачиваемой на
измельчение [(3.6; 3.9; 3.18; 3.34) и (3.43)], ни одна не получила широкого
применения. Это объясняется, прежде всего, сложностью рассматриваемой
задачи.
Только
внешне
процесс
измельчения
кажется
простым.
В
действительности же с учетом характера, величины и направления сил, под
действием которых
материал разрушается, а также количественных
результатов разрушения он является в высшей степени сложным, и
стремление описать его каким-либо обобщенным уравнением едва ли может
привести к исчерпывающему ответу на основной вопрос энергетики теории
измельчения.
Для получения одних и тех же результатов при измельчении данного
материала различными способами необходимо затратить разную работу.
Металлическую полосу, например, можно разделить на две части, разорвав ее
на
разрывной
машине,
разрубив
зубилом,
разломив
многократным
перегибанием, распилив ножовкой или разрезав на пресс-ножницах. Но,
очевидно, более эффективным будет последний способ, так как при этом тело
не подвергается такой деформации, как при растяжении, рубке или
многократном перегибании. Он самый быстрый и экономный. Аналогичная
картина наблюдается и при измельчении твердых металлов.
Различие в энергетических затратах на измельчение материала разными
способами, но с одинаковыми для практики конечными результатами можно
было бы охарактеризовать коэффициентом полезного действия данного
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
способа, понимая под этим коэффициентом отношение необходимой
(полезной) работы измельчения к затраченной. Последняя всегда больше
необходимой, так как часть энергии рассеивается в виде тепла и идет на
перемещение частиц внутри тела, не вызывая его разрушения, а часть
расходуется на преодоление трения между материалом и рабочими
элементами измельчающей машины.
3.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ТОНКОГО
ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
Для математического описания процесса тонкого и сверхтонкого
измельчения справедлива энергетическая теория Риттингера:
A  к  F ,
F 
где
ΔF
-
прирост
6G (i  1)
,
Dн
новой
поверхности,
(3.44)
м2;
к
-
коэффициент
пропорциональности, равный работе, затраченной на образование новой
поверхности; G - производительность; i - степень измельчения; ρ - плотность
порошкообразного сыпучего продукта, кг/м3; χ - фактор формы частиц
материала (табличное значение); Dн - начальный размер кусков.
Для оценки энергетической эффективности измельчения целесообразно
использовать параметр эффективности – отношение полезно достигаемого
результата измельчения к суммарным энергетическим затратам, достигаемым
в рабочем объеме аппарата:
Э
F
с
1
,
,
,
2
VN Н  м
м  Дж
(3.45)
где V - рабочий объем измельчителя, м3;
N - затраченная работа в единицу времени, Дж.
Параметр эффективности показывает прирост новой поверхности в
единице объема измельчителя на единицу затраченной работы в единицу
времени.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С учетом формулы (3.44) энергетическая эффективность:
или
где K 
Э
6G (i  1)
,
 DHVN
(3.46)
Э
KG
,
VN
(3.47)
6(i  1) м 2
,
- критерий качества.
 DH кг
Показатель энергетической эффективности (3.45) может быть использован
для сравнения любых видов измельчающего оборудования (при условии
обработки идентичных материалов), если его привести к безразмерному виду:
Э
G3I
VN
(3.48)
Для сравнения энергетической эффективности в представленные формулы
введен показатель прочности материала П, Дж2 :
м
Э
SП 1
,
VN м 3
(3.49)
Необходимо отметить, что входящая в формулу (3.49) величина
N
также
S
косвенно характеризует прочность материала:
П
где A s 
 2Vм
2E
As
,
Fм
(3.50)
- работа разрушения материала объемом Vм упругой
деформацией (σ - предел прочности материала, Па; Е - модуль Юнга, Па).
Тогда
критерий,
учитывающий
прирост
площади
поверхности
измельченного материала и его прочностные характеристики, равен:
П
(i  1)  2 м 2
,
 2E с 2
(3.51)
С учетом представленных формул параметр эффективности имеет вид:
Э
G 3 (i  1)  2
VN 2 E
(3.52)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, параметр эффективности процесса измельчения будет тем
выше, чем больший прирост поверхности будет достигнут для более прочных
материалов при меньших энергетических затратах и минимальном рабочем
объеме аппарата.
3.5. ИНЖЕНЕРНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ИЗМЕЛЬЧАЮЩЕГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Общие сведения
Расчет технологического аппарата (машины, оборудования) выполняют с
целью выбора ее привода, определения его характеристик, обеспечивающих
работоспособность и надежность конструкции с учетом потребного количества
энергии. Расход потребной энергии зависит от скорости движения рабочего
органа и значения результирующей силы, приложенной к нему при работе
устройства. Результирующая сила формируется взаимодействием многих сил,
возникающих при работе технологической машины, основными из которых
являются следующие.
Силы сопротивления — это технологические силы, на преодоление которых
затрачивается работа, необходимая для выполнения технологического процесса.
Значение этих сил зависит от многих факторов: физико-механических свойств
обрабатываемого продукта, скорости и температурных режимов обработки,
производительности машины, материала и формы рабочих органов и т.п.
Правильно вычислить технологические силы чрезвычайно важно, так как от
того, насколько
точно
будут соответствовать их исходные значения,
принимаемые при расчетах, истинным нагрузкам при работе машины, зависит
качество ее функционирования. Обычно технологические силы определяют
экспериментальным или расчетным путем на этапах предварительных
исследований и проектирования конструкции и выдают конструктору в
качестве исходных данных.
Силы непроизводственного сопротивления — это силы, на преодоление
которых затрачивается дополнительная работа сверх той, которая необходима
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для преодоления полезного сопротивления. В основном непроизводственные
силы связаны с предолением сил трения в кинематических парах.
Динамические силы — силы инерции, возникающие при движении
элементов конструкции с ускорением. Их значение зависит от ускорения и
массы подвижных деталей конструкции.
Силы непроизводственного сопротивления и динамические силы обычно
рассчитывают при конструировании устройства.
Все указанные силы во время работы конструкции, как правило, не остаются
постоянными. За определенный промежуток работы (цикл) меняются их
направление и значение. Поэтому очень важно установить тот момент времени,
в который элементы конструкции оказываются нагруженными наибольшим
суммарным усилием, на которое затем и производят энергетический и
прочностной расчеты.
Кроме того, надо принимать во внимание то, что в целом ряде
технологических машин, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье,
пусковые нагрузки могут намного превышать номинальные силы, рассчитанные
для установившегося режима работы машины.
Расчет потребной мощности предусматривает вычисление потребного
количества энергии на ведущем валу устройства и на валу электродвигателя.
Вычислив требуемую мощность электродвигателя, подбирают его
типоразмер. Так как для рассчитываемого привода могут быть выбраны
двигатели
с
различными
значениями
частоты
вращения
вала
и
соответственно различные передаточные механизмы, то рассматривают
несколько вариантов кинематической структуры привода. Оптимальным
признают вариант, отвечающий конкретным требованиям конструктивного
исполнения и условиям эксплуатации проектируемой машины. При этом
надо учитывать, что с повышением частоты вращения уменьшаются масса и
габариты двигателя, снижается его стоимость, но при этом уменьшается
ресурс. Поэтому для привода общего назначения, если нет специальных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
указаний, предпочтительны двигатели с частотой вращения 1500 или 1000
мин-1.
Инженерные энергетические расчеты измельчающего оборудованияАПК
На рис. 3.2 представлены принципиальные схемы измельчителей АПК.
Рис. 3.2. Принципиальные схемы измельчителей АПК:
а — щековая дробилка; б — конусная дробилка; в — вальцовая дробилка; г — молотковая
(ударная) дробилка; д—шаровая мельница; е—шаровая вибрационная мельница; ж — жернова; з
— бегуны; и — дисковая дробилка; к — терка; л — струйная мельница
Вальцовая дробилка. Основными параметрами, характеризующими работу
вальцовых дробилок, являются угол захвата , частота вращения валков, их
производительность и потребляемая ими мощность.
Для захвата кусков материала валками должно соблюдаться условие:
<2,
где  — коэффициент трения материала о валок, равный 0,37 для пшеницы,
ржи и ячменя, 0,33 — для бобов, и 0,28 — для проса.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Предельную частоту вращения валков n (в об/мин) определяют по
формуле
n  616

d н D
,
(3.53)
а предельную окружную скорость вращения валков  (в м/с)

Dn
,
60
(3.54)
где  - коэффициент трения;  — объемная масса измельчаемого материала,
кг/м3; dн -начальный диаметр измельчаемого материала, м; D — диаметр
валка, м.
Обычно =2,5—5 м/с.
Производительность вальцовой дробилки G (в кг/ч)
G  60  D  b  l  n    ,
(3.55)
где D —диаметр валков, м; b — ширина зазора между валками, м; l— длина
валка, м; n — частота вращения валков, об/мин;  — объемная масса
измельченного
материала,
 — коэффициент, учитывающий
кг/м3;
неравномерность питания валков;  = 0,5—0,7.
Если валки вращаются с различной частотой, то их производительность
определяют по средней частоте вращения.
Мощность N (в кВт), потребляемая вальцовой дробилкой,

N  0.117  D  l  n 120 d H  D 2

(3.56)
Здесь значения D, l и dH даны в м, n —в об/мин.
Размер поступающих на измельчение частиц должен быть в 20—25 раз
меньше диаметра гладких валков и в 10—12 раз меньше диаметра рифленых
валков; для дробилок с зубчатыми валками (при измельчении плодов и
овощей) отношение D/dН=25.
Молотковая дробилка. Окружную скорость вращения молотковой дробилки
определяют из выражения
  Р т
(3.57)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Р – сила удара, Н ; -продолжительность удара с; m — масса
измельчаемого тела, кг.
Производительность молотковой дробилки (в т/ч)
G  35Dl
(3.58)
где D и l — диаметр и длина ротора, м;  — объемная масса измельчаемого
материала, кг/м3.
Мощность, потребляемая дробилкой N (в кВт),
N  0.15D 2  l  n ,
(3.59)
где n — частота вращения ротора, об/мин.
Картофелетёрочная машина. Производительность ее G (в кг/с) будет
G  8.5 10 3 KDbnh2  ,
(3.60)
где К — количество пилок, размещенных на барабане; D — диаметр
барабана, м; b — ширина его, м; n — частота вращения барабана, об/мин; h
— высота выступающей части зубьев, м;  — объемная масса измельченного
картофеля, кг/м3.
Резательная машина. Основными параметрами, характеризующими работу
резательных машин, являются удельное усилие резания, оптимальная
скорость резания, качество получаемого продукта и состояние рабочей
кромки режущего устройства.
Под скоростью резания понимают скорость перемещения точки лезвия
режущего инструмента относительно точки на поверхности среза материала в
направлении рабочего движения. При вращательном движении режущего
инструмента за скорость резания принимают скорость точек лезвия, наиболее
удаленных от оси вращения.
Исходя из способности образования новых поверхностей при резании,
производительность
G (в кг/с) резательных машины непрерывного действия можно определить по
формуле
G   FF1 ,
(3.61)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где  —коэффициент
использования
режущей способности ножей; F-
режущая способность данного типа ножей, м2; F1 –поверхность полученная
при резании единицы массы продукта,м2/кг;
Режущую способность F (в м2/с) определяют по формулам
а) для многодисковых или многоленточных машин
F=hПz,
(3.62)
где h — средняя толщина продукта, м; п — скорость подачи продукта, м/с; z
— число ножей.
б) для машин с серповидными ножами
F = 60Szn,
(3.63)
где S - площадь разреза слоя продукта, м2; n — частота вращения ножей.
в) для машин с пластинчатыми ножами роторного или ленточного типа
F = S1пl,
(3.64)
где S1 — площадь сечения продукта в направлении, перпендикулярном
направлению подачи, м2;
l - расстояние между ножами по длине продукта, м.
Производительность свеклорезки G (в кг/с) определяют по формуле
G  L    z   p    K1  K 2 ,
(3.65)
где L — длина режущей кромки ножа, м (L=0,165);  — средняя толщина
стружки, м, (=1—2 мм), z — число ножей, р — скорость резания, м/с (для
центробежных резок равна 6,7—9,65,
для дисковых - 8);  — плотность свеклы, кг/м3 (=1050), K1 — коэффициент
объемного уплотнения, учитывающий неравномерность распределения
свеклы в рабочем объеме машины и зависящий от угловой скорости ротора
, при =5—20 рад/с
K1  1.38 10 5  3.4  0.56 ,
(3.66)
К2 — конструктивный коэффициент, учитывающий степень использования
ножей в резке (для центробежных резок K2=0.9; для дисковых — 0,85).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мощность, потребляемая свёклорезкой, зависит от конструкции резки,
количества и длины ножей, скорости резания, длинны и формы стружки.
Общая мощность привода для свёклорезки (в кВт)
N
N1  N 2  N 3  N 4  N 5
 пр
,
(3.67)
где N1 N 2 N 3 N 4 N 5 — соответственно мощность, необходимая для преодоления
сил трения свеклы о внутреннюю поверхность корпуса резки, для
преодоления сил сопротивления резанию свеклы для ускорения массы свеклы
в роторе до скорости резания, для преодоления сил трения между корнями
свеклы при поступлении их из бункера в ротор, для преодоления
сопротивления воздуха при вращении ротора, кВт, пр — КПД привода
Мощность N1, (в кВт) определяют по формуле
N1  6.28 10 3 PП h  rв2 fK 2 ,
(3.68)
где Рп — удельное усилие прижатия свеклы к корпусу. Па; h — высота слоя
свеклы, равная длине режущей кромки ножа, м,  - угловая скорость
вращения ротора, рад/с; rв2 — внутренний радиус корпуса резки, м; f —
коэффициент трения свеклы о материал корпуса резки.
Т а б л и ц а 3.1. Рекомендуемые значения удельного усилия прижатия Pп (в кПа)
Скорость
резания
Удельное
усилие
5
7
9
11
12
10
21
38
59
74
Мощность N2 (в кВт) рассчитывают по формуле
N 2  10 3 Pc Lzrp K 3 ,
(3.69)
где PC — удельная сила сопротивления резанию, Н/м; L — длина режущей
кромки одного ножа, м; z — число ножей, rр — радиус резания, равный
расстоянию от центра вращения ротора до вершины ножа, м; К3 — опытный
коэффициент, учитывающий перекрытие части режущих кромок ножей
(К3=0,8—0.9)
Удельная сила сопротивления резанию (в Н/м)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»


Pc  66 0p.2 1  1.81 036
,
p
(3.70)
где p — скорость резания, м/с.
Мощность N3 (в кВт) определяют по формуле
N 3  0.5 10 3 G 2 rв2 ,
(3.71)
где G — производительность резки, кг/с;  — угловая скорость ротора, рад/с;
rв— внутренний радиус корпуса резки, м.
Величина мощности N4 для резок производительностью от 1000 до 4000
т/сут соответственно составляет 8—5 кВт.
Мощность N5 для типовых резок находится в пределах от 0,3 до 1 кВт,
причем меньшее значение принимают для резок с радиусом ротора 0,6 м,
большее — для ротора радиусом 0,8 м. Из опытных данных известно, что из
всей потребляемой резкой мощности лишь около 20% расходуется на резание
свеклы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г л а в а 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИКИ
РЕКТИФИКАЦИИ
4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Перегонка и ректификация являются одними из самых энергоемких
процессов
получения
биотоплива
в
энергетике.
Их
эффективность
определяет энергоэффективность производства в целом [51 -53]. В ряде
случаев на разделение методом ректификации смесей органических
продуктов затрачивается до 70% всей энергии, необходимой для их
производства.
Такие
особенности
производственных
процессов
как
непрерывность и многотоннажность приводят к тому, что даже относительно
невысокие снижение энергозатрат, повышение качества товарных фракций
обеспечивают значительный экономический эффект для технологии в целом.
Основная доля стоимости процессов ректификации приходится на
энергетические затраты (греющий пар и охлаждающий агент), которые
весьма значительны в современных производствах.
Простая перегонка — однократное частичное испарение компонентов и
конденсация образующегося пара (рис. 4.1).
Сложная
перегонка
(ректификация)
—
многократное
частичное
испарение смеси и конденсация пара (рис.4.2 а, б). В процессах происходит
разделение однородных смесей на составляющие вещества или группы
составляющих веществ путем взаимодействия пара и жидкости, не
находящихся в термодинамическом равновесии. При взаимодействии пара и
жидкости
одна
группа
веществ,
составляющих
смесь,
переходит
преимущественно в пар (легколетучие компоненты), а другая в жидкость
(высококипящие компоненты). Таким образом, происходит перенос вещества
из фазы в фазу, что позволяет относить процессы перегонки и ректификации
к группе массообменных процессов. Разделяемые смеси состоят из
нескольких веществ (многокомпонентные смеси), в простейшем случае из
двух (бинарные смеси).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.1. Установка простой перегонки:
1 – куб; 2 – конденсатор; 3 – сборник дистиллята
Создание парового и жидкостного потоков, контактирующих между
собой,
осуществляется
в
ректификационных
установках
различных
конструктивных модификаций. В зависимости от температур кипения
разделяемых
давлением:
жидкостей
ректификацию
атмосферным
(температура
проводят
кипения
под
30-150
различным
°С),
выше
атмосферного (при разделении жидкостей с низкими температурами
кипения, например сжиженных газов), в вакууме (при разделении
высококипящих жидкостей для снижения их температур кипения).
Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для
непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ступеней: верхней - укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается
ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой
смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической
ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают
ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных
смесей. Аппараты для ректификации классифицируют на две группы:
периодического и непрерывного действия (рис. 4.2а, б).
При
периодической ректификации (рис. 4.2, а) в куб 1 колонны 2
загружают определенное количество подлежащей разделению смеси, где она
нагревается до температуры кипения и испаряется. Образующиеся пары
проходят через колонну, взаимодействуя в противотоке с жидкостью,
поступающей из дефлегматора 3. В нем конденсируются выходящие из
колонны
пары
богатые
лекголетучим
компонентом
(ЛЛК).
ЛЛК
направляются далее в делитель потоков. Часть конденсата (флегма)
поступает обратно в колонну, другая часть (дистиллят) - через холодильник
4 в один из сборников. По мере перегонки смесь обедняется по ЛЛК.
В аппаратах непрерывного действия (рис. 4.2, б) исходная смесь в виде
жидкости подается непрерывно в среднюю часть (питающую секцию)
ректификационной колонны 2 на тарелку питания колонны и стекает в
нижнюю часть колонны, называемую кубом 1. Из куба жидкость частично
отводится в виде готового продукта, называемого кубовым остатком,
частично поступает в испаритель. Образовавшиеся в испарителе пары
возвращаются в колонну и движутся навстречу жидкостному потоку вверх
по колонне. Из верхней части колонны пары поступают в дефлегматор 2,
где полностью конденсируются. Образовавшаяся жидкость частично в виде
готового продукта, называемого дистиллятом, отводится из установки,
частично возвращается в ректификационную колонну. Возвращаемая в
колонну жидкость называется флегмой. Флегма подается на орошение
колонны и стекает вниз, навстречу паровому потоку, в питающей секции
смешивается с исходной смесью и сливается в куб колонны. Место ввода
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
исходной смеси в ректификационную колонну делит колонну на две части.
Часть колонны, находящаяся выше места поступления этой смеси, называется
укрепляющей. В нижней части колонны происходит истощение смеси. Эту
часть называют исчерпывающей или отгонной.
Исходная смесь может подаваться в колонну в виде жидкости при
температуре кипения или ниже температуры кипения, а также в виде
влажного, насыщенного или перегретого пара.
В зависимости от состояния исходной смеси и ее состава, составов
получаемых продуктов, способа конденсации паров и числа вводов и
выводов продуктов по высоте колонны схема ректификационной установки
может существенно изменятся. Так,
существуют ректификационные
установки, в состав которых входят ректификационные колонны, не
имеющие либо укрепляющей, либо исчерпывающей части. Существуют
ректификационные колонны, позволяющие производить отбор нескольких
продуктов по высоте колонны (сложные колонны), а также многоколонные
ректификационные установки.
Обычно
в
состав
ректификационных
установок
включается
дополнительное оборудование, предназначенное для хранения исходной
смеси, дистиллята и кубового остатка, перекачки этих продуктов,
нагревания или охлаждения их.
В ректификационной колонне устанавливают контактные устройства той
или иной конструкции. В зависимости от типа контактных устройств
ректификационные
колонны
делятся
на
пленочные,
насадочные
и
тарельчатые.
Тарельчатые
ректификационные
колонны
наиболее
широко
применяются в практике. Они имеют высокую разделительную способность,
устойчиво работают при значительных колебаниях нагрузок по жидкости и
пару (колонны с колпачковыми тарелками), допускают создание аппаратов
большого диаметра
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Соотношение количеств дистиллята — продукта перегонки GД и
возвращаемой в колонну флегмы GФ называют флегмовым числом или
погонным отношением:
R = GФ/GД
(4.1)
Это число — важная характеристика ректификации: чем больше R, тем
больше эксплуатационные расходы на проведение процесса.
Рис. 4.2. Схемы ректификационных установок:
а-периодического и в-непрерывного действия; 1 куб; 2 колонны;
3 дефлегматор; 4 холодильник
Минимально необходимые расходы тепла и холода определяют с
использованием понятия минимального флегмового числа, которое находится
расчётным путём в предположении, что число контактных устройств, или
общая высота насадки, стремится к бесконечности.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2. ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОДУКТОВ РЕКТИФИКАЦИИ. МАТЕРИАЛЬНЫЕ И
ТЕПЛОВЫЕ БАЛАНСЫ
Для определения энергоемкости получаемого в результате ректификации
продукта необходимо определить выход продукта (дистиллята) и минимально
необходимые расходы тепла на его получение. Расчет производят на основании
решения уравнений материального и энергетического балансов.
Материальный баланс технологического процесса ректификации
Уравнение простой перегонки
ln
XH
dx
GH

,
XK y  x
Gk
p
(4.2)
где GH — количество исходной (начальной) смеси, подлежащей
разделению, кг; Gк — количество кубового остатка, кг; хн — концентрация
исходной смеси, % маc.; хк—концентрация кубового остатка, % маc.; ур и х —
соответственно равновесные концентрации легколетучего компонента в паре
и жидкости, %маc.
Материальный баланс для всей ректификационной установки может
быть представлен двумя уравнениями:
Материальный баланс по всем компонентам
(продуктам) при обогреве
паром
GH = GД + GК
(4.3)
Материальный баланс по легколетучему компоненту
GH X H  GД Х Д  GK Х K
,
(4.4)
где Gн, Gд и Gк — расход начальной смеси, дистиллята и кубового остатка;
хн, xд и хк — концентрации начальной смеси, дистиллята и кубового остатка.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расчеты производятся либо в массовых расходах (кг/с; кг/ч) и массовых
концентрациях х (% маc.), либо в мольных количествах (кмоль/с, кмоль/ч) и
мольных концентрациях х (%мол.)
Уравнения (4.5) и (4.6) позволяют определить расход дистиллята GД и
кубового
остатка GК при
содержании
известном расходе
легколетучего
компонента
исходной
в
смеси GH и
исходной
смеси,
дистилляте и остатке
G Д  GН
GК  Gн
ХН  ХК
Х Д  ХК
Х Д  ХН
Х Д  ХК
,
(4.5)
,
(4.6)
2
3
флегма
1
GД
GH
GК
Рис. 4.3. К составлению материального баланса ректификационного аппарата
Тепловые балансы перегонки и ректификации
Тепловой баланс простой перегонки
Diгр.п  GH cH t H  G Д i Д  GK cK t K  Dcконд конд  Qпот
(4.7)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расход греющего пара на простую перегонку D находят из уравнения
(4.8), причем потери тепла в окружающую среду Qпот можно принять
равными
5—8% от полезно затраченного тепла. В связи с этим полученное значение D
следует умножит на коэффициент, учитывающий потери тепла,
равный
1,05 — 1,08:
D
1.05G Д i Д  GK Ck t K   GH cH t H
,
 iгр.п  сконд конд 
(4.8)
где  — коэффициент, учитывающий степень сухости насыщенного
пара ( = 0,9-1,0).
Тепловой баланс
ректификационной
колонны
можно представить
в таком виде
GHcHtH+ GфcФtф + Diгр.п = Gпсп(1+Rф ) + Dcкондконл + Gкскtк ,
(4.9)
Расход греющего пара (в кг/ч) в ректификационной колонне с учетом
коэффициента потерь теплоты
1,05 и степени сухости пара , а также при
замене Gф = Gд/Rф определяется из теплового баланса:
D
1.05G Д i П  RФ G Д i П  C n tФ   GK c K t K  GH c H t H 
 iгр.п  сконд конд 
В уравнениях (4.7), (4.10), в табл. 4.1
(4.10)
и на рис. 4.3, 4.4 приняты
следующие обозначения:
D — расход греющего пара, кг/ч; Gн, Gд и Gк — соответственно количество
(расход) начальной смеси, дистиллята и кубового остатка, кг или кг/ч. При
использовании в материальном балансе этих величин, выраженных в
мольных единицах, в тепловом балансе необходимо учитывать их мольные
массы; iгр.п, iД, iп*— энтальпия греющего пара, дистиллята и пара,
уходящего из колонны, кДж/кг; сн, Сконд, Сф и ск — удельная теплоемкость
начальной смеси, конденсата греющего пара, флегмы и кубового остатка,
кДж/(кг-К);tH, tk,конд, tф — температура начальной смеси, кубового остатка,
конденсата греющего пара и флегмы, °С.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т а б л и ц а 4.1 . К составлению теплового баланса ректификационного аппарата
Приход теплоты, кДж/ч
Расход теплоты, кДж/ч
С исходной смесью
С паром, образующим флегму и
Q1=GHcHtH
Q4=Gпсп(1+Rф)
С флегмой
С кубовым остатком
Q2=GфcФtф
Q5=Gкскtк
С греющим паром
дистиллят,
С конденсатом греющего пара
Q6=Dcкондконл
Q3=Diгр.п
Q4=Gпсп(1+Rф)
Q2=GфcФtф
Q1=GHcHtH
Qпот
Q3=Diгр.
п
Q5=Gкскtк
Рис. 4.4. График теплового баланса ректификационного аппарата
Удельный расход греющего пара, кг/дал, кг/кг:
dn 
D  100
,
GД xД
(4.11)
где хД — концентрация дистиллята, % об. (% мас.).
При концентрации легколетучего компонента в дистилляте более 70%
мол. для упрощения расчетов процессов, протекающих в укрепляющих
частях колонн, можно принять Хд = Уп = Хф, следовательно, при этом iд = iп.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принимая во внимание, что мольные теплоты испарения различных
жидкостей
одинаковы,
расход
водяного
пара
на
перегонку
можно
приближенно определить по уравнению (4.11), если учесть коэффициент
потерь, равный 1,1—1,25 (т. е. полученное значение D следует увеличить на
величину этого коэффициента).
4.3. ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСИЯ
Сведения о равновесных составах жидкости и пара, определяемые обычно
опытным путем, имеются в справочной литературе. На основании этих
данных строят кривую равновесия х — у (рис. 4.52). Определенному
содержанию х 1 легколетучего компонента в жидкости в условиях равновесия
соответствует его содержание в паре ур
(рис. 4.5, а). Данные о фазовом
равновесии могут быть представлены также в диаграмме t — х, у (рис. 4.5, б).
Нижняя кривая на диаграмме является кривой температуры кипения смеси в
зависимости от ее концентрации; верхняя кривая — кривой концентрации
пара.
При известной концентрации смеси х1, поднимаясь до кривой
температуры кипения (точка 1) и переходя по горизонтали до оси ординат,
определяют температуру кипения смеси t1. Для определения концентрации
пара, равновесной смеси концентрации x1, следует продолжить горизонталь
от точки 1 до кривой концентрации пара (точка 2) и опуститься на ось
абсцисс — У р .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис.4.5. Диаграммы равновесия:
а – диаграмма фазового равновесия в координатах Х-У; б- диаграмма фазового
равновесия в координатах t — х, у
При перегонке с дефлегмацией по известной концентрации дистиллята хл
по диаграмме t—х, у определяют следующие величины:

концентрацию флегмы хф; для этого из точки на оси абсцисс,
соответствующей значению хл, проводят вертикаль до пересечения с
кривой концентрации пара — точка 3. Затем из точки 3 проводят
горизонталь до пересечения с кривой температуры кипения — точка
4, от нее — вертикаль на ось абсцисс, где определяют хф;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

флегмовое число Rф, которое делит отрезок 3—4 в отношении Rф = а/б
(точка 5).
Далее по t-x, y-диаграмме находят:

начальную температуру конденсирующегося в дефлегматоре пара;
для этого от точки 5 проводят вертикаль до верхней ветви — точка 6 и
по ней находят искомую температуру t'k.

конечную температуру конденсации t’’k (температуру флегмы);
находят на оси ординат по горизонтали от точки 5 (или 4)

температуру поступающего в холодильник пара tп, из которого
образуется дистиллят; для этого от точки 5 проводят вертикаль до
нижней ветви — точка 7 и на оси ординат находят tп.
4.4. ВЛИЯНИЕ ФЛЕГМОВОГО ЧИСЛА НА РАСХОД ТЕПЛОТЫ.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ФЛЕГМОВОГО
ЧИСЛА И МИНИМАЛЬНЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ОСНОВЕ
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с
выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены
с использованием понятия минимального флегмового числа Rmin .
Для анализа работы колонны, расчета состава дистиллята и остатка и
распределения концентраций ЛЛК по высоте аппарата используют понятие о
теоретической ступени разделения, или теоретической тарелке (ТТ). Такая
ступень (тарелка) соответствует некоторому гипотетическому участку
аппарата, где жидкость и покидающий ступень пар находятся в равновесии.
Число ТТ ( nТ ), необходимое для получения дистиллята и остатка заданного
состава, можно найти графически с помощью у-х-диаграммы (рис. 4.6),
описывающей
зависимость
между
равновесными
концентрациями паровой (у*) и жидкой (х) фаз.
молярными
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.6. Графическое определение числа теоретических тарелок; ОE-равновесная кривая;
АВ и ВС- рабочие линия для укрепляющей в исчерпывающей частей колонны;
1-6-тарелки.
Для определения nТ на графике строят ступенчатую линию между
равновесной кривой у* = f(х) и ломаной линией AВС.
Линия АВ отвечает уравнению рабочей линии нижней части колонны:
yX
R f
1 f
 XW
R 1
R 1
(4.12)
где f = F/D. Зависимость между предельными, или равновесными,
концентрациями распределяемого вещества в фазах изображается графически
и называется равновесной линией.
Линия ВС отвечает уравнению рабочей линии верхней части колонны:
yX
R
X

R 1 R 1
(4.13)
В представленном примере для разделения исходной смеси на дистиллят
состава Х Д и остаток состава X W требуется по три ТТ в укрепляющей и
исчерпывающей частях колонны. Более точный метод расчета составов
дистиллята и остатка при известном числе ТТ основан на последовательных
вычислении составов пара и жидкости на каждой тарелке с использованием
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
уравнений рабочих линий и теплового баланса. Учитываются также
изменения потоков по высоте колонны вследствие неравенства теплот
испарения компонентов.
Из рис. 4.6 следует, что nТ определяется положением рабочих линий в
обеих частях колонны, которое, в свою очередь, зависит от R. На рис. 4.7
изображено несколько положений рабочих линий, однако существуют два
предельных положения: первое - линии СВ для верха и AB для низа колонны,
второе - линии СВ 2 для верха и АВ 2 для низа колонны.
Первый предельный случай - бесконечно большое флегмовое число (R =
 ); колонна работает "на себя", т. е. вся жидкость, полученная в результате
полной конденсации паров в дефлегматоре, возвращается в колонну в виде
флегмы; отбор дистиллята и выдача продукта не производятся, что в
нормальных производственных условиях исключается. При этом рабочая
линия совпадает с диагональю диаграммы.
Рис. 4.7. Положение рабочих линий непрерывной ректификации на у-х-диаграмме.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отрезок b=x D (R+1), отсекаемый рабочей линией ABC на оси ординат, в
соответствии с уравнением (4.13) равен нулю и, следовательно, изменение
рабочих концентраций отвечает уравнению у = х, т. е. составы пара и
жидкости равны в каждом сечении колонны. Второй предельный случай рабочие линии пересекают равновесную кривую у*=f(х) в точке В. Поскольку
в точке В 2 движущая сила равна нулю (у* = у), для проведения процесса
потребуется колонна с бесконечно большой поверхностью фазового
контакта, работающая при минимальном флегмовом числе.
Положение рабочих линий СВ 1 и B 1 A соответствует эксплуатации колонн
в производств, условиях. Точка В 1 может приближаться к верхнему пределу
В 2 либо к нижнему пределу В; при этом флегмовое число, при котором
функционирует колонна, или рабочее флегмовое число (R раб ), изменяется от
R min до R =  . С уменьшением R снижается расход теплоты на испарение
жидкости в кубе колонны, однако уменьшается движущая сила, что приводит
к необходимости увеличивать высоту колонны, т.е. к росту капитальных
затрат. Оптимальное флегмовое число следует определять на основе
техникоэкономических расчетов. С известным приближением R опт можно
найти графически, исходя из зависимости затрат 3 на ректификацию от R
(рис.
4.8).
Эксплуатационные
расходы
увеличиваются
прямо
пропорционально R; кривая капитальных затрат имеет минимум, т.к. с
возрастанием R уменьшается высота колонны, но увеличивается ее сечение;
кривая суммарных затрат на ректификацию также имеет минимум, который
отвечает R опт .
Выбор рабочего флегмового числа часто проводят приближенно по
формуле:
R раб = zR min ,
(4.14)
где z = R раб /R min - коэффициент избытка флегмы (обычно не
превышает 1,05-1,5). При отсутствии данных о z для разделяемых смесей
можно применять эмпирическую зависимость:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R = 1,3R min + 0,3
(4.15)
Рис. 4.8. К определению оптимального флегмового числа: 1-эксплуатац. расходы; 2капитальные затраты; 3-общие затраты на ректификацию
Более точный метод расчета R опт предполагает знание приведенных
затрат и учет расходов, связанных с подачей сырья и подводом теплоты в
колонну и организацией ее орошения, а также стоимость колонны и
вспомогательного оборудования.
4.5. ПУТИ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ В РЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ
Учитывая, что ректификация является одним из энергоемких процессов,
при проектировании ректификационных установок необходимо использовать
все возможные пути экономии энергии. К ним относятся:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Обеспечение минимальных потерь тепла в окружающую среду путем
тщательной термоизоляции ректификационных колонн. При этом затраты на
изоляцию должны компенсироваться стоимостью сэкономленного тепла.
2. Расходы
греющего
пара
и
охлаждающей
воды
возрастают
с
увеличением коэффициента избытка флегмы  и достигают наименьших
значений при минимальном флегмовом числе R min , т. е. при  =1.
Соответственно увеличиваются затраты. Вследствие уменьшения числа
тарелок стоимость колонны с ростом  или R = R min  снижается до
некоторого значения, а затем возрастает из-за опережающего увеличения
диаметра колонны, а также рабочих поверхностей дистилляционного куба и
конденсатора. Оптимально в экономическом (в том числе и энергетическом)
отношении флегмовое число R опт , соответствующее минимуму суммарных
затрат.
3. Значительная экономия греющего пара может быть достигнута в
результате использования тепла паров, уходящих из колонны, дистиллята,
кубового остатка и конденсата греющего пара (на нагревание исходной смеси
и другие производственные нужды).
4. При ректификации гомоазеотропных смесей в двух колоннах при двух
разных давлениях пары из колонны с большим давлением могут быть
использованы для обогрева колонны низкого давления; при этом отпадает
необходимость в конденсаторе первой колонны.
5. Значительную экономию энергии можно достичь с использованием
принципа теплового насоса по схеме, изображенной на рис. 4.9, а. Пар,
уходящий из колонны 3, сжимается компрессором 1 до давления,
соответствующего требуемой температуре его конденсации в нагревательной
камере дистилляционного куба. При этом не нужно устанавливать
конденсатор; кроме того, сокращаются расходы пара и охлаждающей воды.
Рассматриваемая схема выгодна во всех случаях, когда стоимость энергии,
потребляемой
компрессором,
уступает
затратам
на
греющий
пар.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экономичность установки возрастает по мере уменьшения разности
температур кипения компонентов ректифицируемой смеси.
Рис.4.9. Ректификационные установки с тепловым насосом:
а — установка с компрессором для сжатия паров, уходящих из укрепляющей части колонны: 1 — колонна;
2 — компрессор; 3 — фдегма; 4 —дистиллят;
б— установка с пароструйным инжектором:
1 — колонна; 2 —сосуд-расширитель; 3 — инжектор; 4 — инжектирующий пар; 5 — поток кубового
остатка; 6 — смесь сжатых газов
6. В случаях, когда кубовым остатком при ректификации является вода,
выгодно обогревать дистилляционный куб голым паром, а не через
поверхность нагрева. Помимо удешевления ректификационной установки, в
данном случае может быть достигнута значительная экономия тепла путем
использования принципа теплового насоса с помощью пароструйного
инжектора (рис. 4.9, б). Здесь кубовый остаток переходит из куба в сосудрасширитель 2, где создается разрежение благодаря присоединению его
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
парового пространства к всасывающему штуцеру пароструйного инжектора
3. Из последнего сжатая смесь инжектирующего пара и вторичных паров,
образовавшихся в сосудерасширителе, подается под нижнюю тарелку
исчерпывающей колонны; неиспарившаяся и охлажденная часть кубового
остатка отводится из системы. Экономия тепла зависит от разности давлений
в дистилляционном кубе и сосуде-расширителе и от коэффициента
инжекции.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г л а в а 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИКИ
ПРОЦЕССА СУШКИ
Требования, предъявляемые к выбору энергоэффективного способа
сушки
и
типа
сушилки,
заключаются
в
достижении
высоких
техникоэкономических показателей работы сушилки при получении продукта
с заданными свойствами, максимальным выходом и минимальными затратами
энергии при обеспечении надежности работы и снижении (или исключении)
газовых выбросов в атмосферу [54, 58, 59].
5.1.
КЛАССИФИКАЦИЯ СУШКИ ПО СПОСОБУ ПОДВОДА ЭНЕРГИИ
Сушкой называют процесс удаления влаги из влажных материалов путём
ее испарения и отвода образующихся паров при подводе энергетических
потоков
различной
природы.
По
виду
энергетических
воздействий
применяются следующие способы сушки:
 конвективная,
или
воздушная,
сушка
—
подвод
теплоты
осуществляется при непосредственном контакте сушильного агента с
высушиваемым материалом;
 контактная сушка — путем передачи теплоты от теплоносителя
(например,
насыщенного
водяного
пара)
к
материалу
через
разделяющую их стенку;
 радиационная сушка — путем передачи теплоты инфракрасными
излучателями;
 диэлектрическая сушка (СВЧ - сушка) — путем нагревания материала
в поле токов высокой частоты;
 сублимационная сушка — сушка в глубоком вакууме в замороженном
состоянии.
Наиболее распространённым способом проведения процесса в АПК
является конвективная сушка.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2. ДВИЖУЩАЯ СИЛА ПРОЦЕССА СУШКИ
Закономерности сушки определяются совместным влиянием одновременно
протекающих процессов тепло- и массопереноса. В ходе сушки система
влажное
тело-газ
стремится
к
фазовому
равновесию,
при
котором
наблюдается равенство потенциалов жидкости и ее пара. По достижении
указанного равновесия сушка прекращается. Следовательно, сушка существенно неравновесный процесс, движущей силой которого является
разность
потенциалов,
определяемых
через
градиенты
параметров
материальных потоков, участвующих в сушке.
При конвективной сушке движущую силу можно выразить разностью:
 парциальных давлений p = рм
-
рп
( рм - давление паров влаги у поверхности материала, рп парциальное давление водяных паров в воздухе);
 влагосодержаний  х = хнас - х
( хнас - влагосодержание воздуха, насыщенного водяными парами
вблизи
поверхности
материала,
х
-влагосодержание
ненасыщенного воздуха);
 температур  t = tс - t м
( tс - температура среды, окружающей материал, t м - температура
поверхности
влажного
материала,
принимаемая
равной
температуре мокрого термометра) и т.д.
Поскольку на входе в сушилку и выходе из нее значения p ,  х и  t
будут различны, в расчетах используют среднюю движущую силу сушки.
Различают внешний и внутренний перенос влаги и теплоты. Внешний
перенос (тепло- и массообмен) происходит между влажным телом и
сушильным агентом и характеризуется коэффициентом тепло- и массоотдачи,
для которых известны многочисленные эмпирические корреляции.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3. НАПРАВЛЕНИЕ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ
Каждый твердый влажный материал способен поглощать влагу из
окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Окружающая
влажный материал среда может содержать либо только водяной пар, либо
смесь водяного пара с газами. Обозначим парциальное давление водяного
пара в смеси с воздухом через рп. Влаге, содержащейся во влажном
материале,
соответствует
определенное
давление
водяного
пара
р м,
называемое давлением водяного пара во влажном материале.
При контакте материала с влажным воздухом возможны три состояния
системы:
 Давление водяного пара во влажном высушиваемом материале рм
больше, чем его парциальное давление в окружающем материал
воздухе или газе, т.е. рм > рп. В этом случае происходит процесс
десорбции влаги из материала в окружающую среду, т. е. процесс
сушки. Давление водяного пара в высушиваемом материале рм
зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги
с материалом;
 Парциальное давление пара в окружающей среде больше,чем его
давление во влажном материале, т. е. рп > рм. В этомслучае
происходит сорбция влаги материалом, т.е. процессувлажнения
материала;

Давления водяного пара во влажном материале и в окружающей среде равны,
т. е. рм = рп. В этом случае наступает динамическое равновесие. Влажность
материала, при которой наступает динамическое равновесие, называется
равновесной
влажностью
WP.
Равновесная
влажность
зависит
от
парциального давления водяного пара рп или пропорциональной ему относительной влажности воздуха  . Зависимость равновесной влажности от

при t = const называется изотермой сорбции
экспериментальным путем.
и устанавливается
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Состояние динамического равновесия является предельным в процессах
сушки и увлажнения. При сушке давление пара у поверхности материала,
уменьшаясь, стремится к равновесному. При увлажнении, наоборот, давление
паров у поверхности, увеличиваясь, стремится к равновесию.
Различают свободную и связанную влагу в материале. Под свободной
влагой понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна
скорости испарения воды со свободной поверхности. Скорость испарения
связанной влаги из материала всегда меньше скорости испарения воды со
свободной поверхности.
В этой связи энергозатраты на удаление свободной влаги значительно
ниже, чем при удаления связанной влаги.
5.4. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ. ПЕРИОДЫ И
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СУШКИ
Периоды сушки, соответствующие удалению свободной и связанной
влаги, определяют из кривой сушки и кривой нагрева тела (рис. 5.1, а), а
также кривой скорости сушки (рис. 5.1, б). Знание изменения во времени
средних
по
объему
высушиваемого
материала
влагосодержания
и
температуры (кинетики сушки) позволяет рассчитать время сушки материала
от начального Wн до конечного Wк влагосодержаний и выбрать менее
энергоемкий способ подвода энергии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.1. Кривые кинетики:
а - кривые сушки и нагрева влажного материала; б- кривые скорости сушки для материалов
тонколистовых пористых (1), коллоидных (2), капиллярно-пористых (3), керамических (4),
некоторых полимерных (5).
Кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих
различным периодам процесса: кривая АВ - периоду прогрева материала,
кривая ВС - периоду постоянной скорости (I период продолжительностью  1 ),
кривая CD - периоду падающей скорости (II период продолжительностью  2 ).
В период прогрева теплота, подводимая к материалу, расходуется на его
нагрев от начальной температуры tн до температуры мокрого термометра t м , а
также на испарение влаги. В этот период скорость сушки обычно возрастает
от нуля до постоянной ее скорости в I периоде. Продолжительность периода
прогрева, как правило, незначительна по сравнению с другими периодами
(нагревание,
охлаждение,
увлажнение
и
смешение
воздуха
разных
параметров).
Поскольку при сушке влагосодержание в каждой точке влажного
материала стремится к равновесному W р , кривая W (  ) стремится к
горизонтальной симптоме. Что касается кривой нагрева материала, то
температура всех его точек чаще всего в начальный момент одинакова и
равна tн . Если температура среды равна tс , то именно к этому равновесному
значению стремится температура.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При t = t м I период описывается уравнением:

dW
N
d
(5.1)
(знак минус указывает на уменьшение W).
После дифференцирования:
W  WH  N ,
(5.2)
где Wн1 - начальное значение W при  = 0.
Если конечное значение
в период прогрева представляет малую
величину, то принимают Wн1  Wн .
Выражению (5.2) соответствует время сушки в I период;
 1  N 1 WH  WKP  ,
(5.3)
где Wкр - критическое влагосодержание в конце этого периода.
Скорость сушки в I период определяется скоростью подвода теплоты к
материалу:
N
 f 
уд
С

 М 
QИСП
,
(5.4)
где  - коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к материалу;
f
уд
= F/G с ; F-межфазная поверхность; G с - масса сухого материала.
Физически I период заканчивается при удалении из материала свободной
влаги (W = W кр ).
Во II периоде начинается удаление связанной влаги. Для расчета Wкр
используют
ряд
корреляций,
однако
на
практике
его
определяют
аппроксимируют
уравнением,
экспериментально.
Скорость
сушки
во
II
периоде
учитывающим приближение W к Wр:

dW
 K C W  WP ,
d
(5.5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где К с - коэффициент сушки, зависящий от ее режима и свойств материала.
Этот параметр представляют в виде: К с = xN, где x - относительный
коэффициент сушки, определяемый свойствами материала.
Уравнению (5.5) соответствует выражение для времени сушки материала
во II периоде при изменении влагосодержания от Wр до Wк:
 П  xN 1 ln [WKP  WP WK  WP 1 ]
(5.6)
В координатах [(dW/d  ) – W] (рис. 2,б) зависимость (5.5) изображается
прямой линией.
Если пренебречь продолжительностью периода прогрева
влажного
материала, то необходимое время сушки  с определится равенством:
 C  1  П
(5.7)
Значение скорости сушки N (в кг/(кг-с)) в периоде постоянной скорости
может быть либо найдено из опытов по кинетике сушки, либо рассчитано,
если известно (также из опытов)
значение коэффициента
массоотдачи
(влагоотдачи):
N= W/Gcyx=Fxcp/Gcyx,
где
(5.8)
W — масса удаляемой влаги, кг/с, Gc — масса абсолютного сухого
материала, кг,  — коэффициент массоотдачи от влажной поверхности к потоку сушильного агента, кг/(м2 с кг/кг), F — поверхность испарения высушиваемого материала, м2
Значение коэффициента массоотдачи  может быть определено,
например, из корреляционного соотношения:
Nu  B Ren Pr 3 Gu0.135 ,
1
(5.9)
в котором массообменный критерий Нуссельта Nu' =  l/D, критери
Рейнольдса Re =  l/v, диффузионный критерий Прандтля Рr' = v/D и
критерий Гухмана Gu = (t—tм)/t, l — определяющий размер — длина
поверхности испарения в направлении движения сушильного агента, м, D —
коэффициент диффузии паров воды в среде сушильного агента, м 2/с,  —
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
скорость сушильного агента, м/с, v — кинематическая вязкость сушильного
агента, м2/с, t и tм — температуры сушильного агента и мокрого термометра,
К. Значения аппроксимационных коэффициентов В и n в зависимости от
диапазона изменения Re приведены в табл. 5.1.
Т а б л и ц а 5.1. Значения аппроксимационных коэффициентов В и n
в зависимости от диапазона изменения Re
Re
B
N
1—200
0,90
0,50
200—6 000
0,87
0,54
6 000—70 000
0,35
0,65
При сушке в пределах только периода постоянной скорости и для
противоточного движения материала и сушильного агента необходимая
поверхность
высушимого
материала
может
быть
определена
по
соотношению, являющемуся следствием уравнений массопередачи и баланса
по влаге:
F
L

ln
xнас  x1
xнас  x2
(5.10)
5.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Материальный баланс
Материальный баланс составляют как по всему количеству материала, так
и по одному из компонентов сушки - массе абсолютно сухого вещества или
массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале. В результате
определяют оптимальный для обеспечения заданного качества продуктов
сушки расход сушильного агента. По расходу сушильного агента производят
выбор вентилятора.
На рис. 5.2 изображена схема конвективной сушилки, состоящей из
сушильной камеры 2 и калорифера 1. Сушильный агент подается в
калорифер вентилятором.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.2. Схема конвективной сушилки с обозначением параметров сушильного агента и
материала: 1- калорифер; 2 - сушильной камера
Материальный баланс процесса:
GН  GК  W
или
W  GH  GK ,
(5.11)
где Gн - массовый расход влажного материала, поступающего на сушку,
( кг/ч), Gк - массовый расход высушенного материала (кг/ч), W - количество
влаги, удаляемой при сушке, (кг/ч).
Материальный баланс по количеству сухого вещества:
GК  GН
100  W1
100  W2
;
W  GН
W1  W2
100  W2
(5.12)
Количество удаляемой из материала влаги W пропорционально
изменению влажности (влагосодержания) материала. Начальная и конечная
влажность материала (в мас. %) обозначается соответственно через W 1 и W2.
Влага поступает в сушильную камеру с продуктом и сушильным
агентом, а выводится с высушенным продуктом и отработанным сушильным
агентом.
GН  LX1  GК  LX 2 ,
(5.13)
С учетом выражения 5.11 материальный баланс влаги имеет вид:
W  LX1  LX 2 ,
(5.14)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где L – количество абсолютно сухого воздуха, поступающего на сушку,
(кг/ч).
Расход сухого воздуха L в конвективной сушилке:
L
W
x2  x0
(5.15)
Удельный расход сухого воздуха (расход на 1 кг испаряемой при сушке
влаги):
l
L
1
,

W x2  x0
(5.16)
где W — количество испаряемой из материала влаги, кг/с; l — удельный расход сухого воздуха, приходящийся на 1 кг испаряемой влаги (в кг/кг):
х0 и х2 — влагосодержания воздуха на входе и на выходе из сушильного
аппарата.
Тепловой баланс
Согласно закону сохранения энергии, приход в сушилку теплоты равен ее
расходу (табл.5.2).
Тепловой баланс процесса имеет вид:
Li0+Gс Cc tн +WСвtн+GТCТ tТн=Li2+Gс Cc tк+GТ CТ tТк+Qп
Т а б л и ц а 5.2. Приход и расход теплоты в сушилке
Приход теплоты
С нагретым в калорифере (топке)
сушильным агентом:
Q1 = Li0
Расход теплоты
С отработанным теплоносителем:
Q4 = Li2
С влажным материалом и находящейся в С высушенным материалом:
нем жидкостью:
Q2 = Gс Cc tн + WСвtн
Q =G C t
5
с
c к
С транспортными устройствами:
С транспортными устройствами
(вагонетки и др.):
Q3 = Gт Cт tтн
____________
Q6 = Gт Cт tтк
Потери теплоты: Qп
(5.17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В уравнении 5.17 и табл. 5.2 приняты следующие обозначения:
Gс — количество высушенного материала, кг/ч; Cc — удельная теплоемкость
высушенной части материала,
кДж/(кг-К); CТ — удельная теплоемкость
транспортирующих устройств, кДж/(кг-К); tн — температура до сушки, °С;
Св — теплоемкость воды, кДж/(кг-К) ; tК — температура материала после
сушки, °С; tтн, tтк — температура транспортирующих устройств на входе в
сушильную камеру и на выходе из нее, °С; i0 — удельная энтальпия воздуха
на входе в сушильную камеру, кДж/кг; i1— удельная энтальпия воздуха после
нагревания в калорифере, кДж/кг; i2 — удельная энтальпия воздуха на выходе
из сушилки, кДж/кг; QП — потери теплоты в окружающее пространство,
кДж/ч.
Из балансового уравнения (5.17) находят общий расход теплоты на
сушку:
Q=Qк+Qд=L(i2 - i0 )+Gс Cc (tк – tн ) +GтCт (tтк- tн т)-WСвtн+Qп,
(5.18)
где Qк - теплота, подводимая к сушильному агенту в калорифере, кДж/ч.; Qддополнительная теплота, подводимая в сушильную камеру, кДж/ч.
Удельные расходы теплоты на 1 кг испаряемой влаги получают путем деления
всех членов уравнения (5.18) на W:
Q
W
 q;
Qк
W
 qк ;
QД
GТ СТ (tТ .К  tТ .Н . )
q  qк  q
Д
W
 qД ;
W
 qТ ;
Gс Cс (tк  tн )
Qп
W
W
 qм ;
 qп ;
 l (i2  i0 )  qм  qТ  qп  св tн
(5.19)
Удельный расход теплоты во внешнем калорифере:
qк  l (i2  i0 )  qм  qТ  qп  q Д  св tн
или
qк  l (i1  i0 )
После подстановки
qк в уравнение (5.20), находим
(5.20)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
l (i1  i0 )  q Д  l (i2  i0 )  q м  qТ  qп  св tн
или
l (i2  i1 )  q Д  св tн  qм  qТ  qп
(5.21)
При q Д =0 имеем l (i2  i1 )  св tн  qм  qТ  qп Обозначив
правую часть
уравнения через
(q Д  св tн )  (qм  qТ  qп )   ,
(5.22)
получим
l (i2  i1 )  
(5.23)
i2  i1  
(5.24)
или
l
С учетом уравнения (5.16)
(i2  i1 )
( х2  х1 )

(5.25)

(5.26)
Для текущих значений
(i  i1 )
( х  х1 )
Последнее уравнение представляет собой уравнение прямой линии и
называется уравнением рабочей линии сушки. Таким образом, зависимость
между энтальпией и влагосодержанием воздуха прямолинейна.
Оценка энергоэффективности сушки по внутреннему тепловому
балансу
Для анализа введем понятие о теоретической сушилке. Теоретической
сушилкой
называют
сушилку,
в
которой
температура
материала,
поступающего на сушку, равна нулю, отсутствует нагрев материала и
транспортных средств. Тогда согласно уравнению (5.22)  =0. При этом l  0
и из уравнения (5.24) для теоретической сушилки получим i2  i1 .
В теоретической сушилке испарение влаги происходит только за счет
охлаждения воздуха, причем количество теплоты, отдаваемое воздухом,
возвращается в него вместе с влагой, испаряемой из материала.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В реальных сушилках энтальпия воздуха в сушильной камере в
большинстве случаев не остается постоянной.
Если приход теплоты больше расхода (q Д  св tн
соответствии с уравнением (5.24) i2
qм  qТ  qп ) ,
т.е.  ˃0, то в
i1 . В этом случае сушилка работает
неэкономично, так как не вся теплота полезно расходуется.
Если же  <0, то i2
i1 . В этом случае сушилка работает экономично.
В реальной сушилке может иметь место равенство  =0. Это соответствует
условию, когда приход теплоты в сушильную камеру равен его расходу, т. е.
q Д  св tн  qм  qТ  qп
Для построения процесса сушки на
знать
исходные
параметры
I-x диаграмме (П.2) необходимо
воздуха.
Для
определения
точки,
соответствующей состоянию воздуха на входе в калорифер (рис.5.2),
достаточно
располагать
двумя
параметрами,
например,
начальной
температурой t0 и относительной влажностью воздуха 0 . Вначале строится
процесс сушки в теоретической сушилке, который изображается в виде
ломаной линии АВС (рис.5.3).
На рис. 5.3 отрезок АВ
соответствует процессу нагревания воздуха в
калорифере. Процесс идёт при постоянном значении влагосодержания
x=const, причём x0=x1. Отрезок АВ проводят из точки пересечения t0=const и
0  const до пересечения с изотермой t1, соответствующей температуре
воздуха на выходе из калорифера и входе в сушилку (рис. 5.2).
Наклонная линия ВС характеризует теоретический процесс в сушильной
камере.
Процесс идёт при постоянной энтальпии i  const . Линию ВС
проводят из точки В по изоэнтальпии, которая проходит через эту точку, до
пересечения либо с изотермой t 2 =const , либо с линией 2  const (зависит от
исходных данных).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.5.3. Диаграмма процесса сушки в теоретической сушилке
Построение процесса сушки в реальной сушилке сводится к
определению наклона линии сушки ВС. В зависимости от знака Δ, который
определяется по формуле (5.28), линия ВС может отклоняться как в ту, так и
в другую сторону от линии, характерной для теоретической сушилки (рис.
5.3.).
При Δ > 0 энтальпия i2 > i1 и линия сушки ВС в реальной сушилке
пойдёт выше линии i  const для теоретической сушилки (линия ВС ”).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.5.4. Процесс сушки в реальной сушилке
При Δ < 0 энтальпия i2<i1 и линия сушки ВС пройдёт ниже линии
i  const для теоретической сушилки (линия ВС 1 ).
Построение линии для реальной сушилки основано на использовании
уравнения (5.25). После замены в этом уравнении i2
и x2 на текущие
координаты i и x любой промежуточной точки Е, лежащей на этой линии,
получаем уравнение рабочей линии сушки (5.26). На диаграмме ( i  i1 )
изображается отрезком Ее (мм), умноженным на масштаб энтальпии m;
[кДж/кг  мм], а (x -
x1) отрезком ef (мм), умноженным на масштаб
влагосодержания mx [кг/кг  мм], т.е.
i  i1  Ee  mi ;
x  x1  ef  mx .
Отсюда следует, что:
Ee  mi
i  i1

.
x  x0 ef  mx
Обозначив
mi
 M , получим:
mx
(5.28)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ee  ef 

M
(5.29)
Таким образом, зависимость (5.29) позволяет определить направление
линии сушки в реальной сушилке.
Общий порядок построения линии сушки на i – x диаграмме:
1. Cтроится линия сушки в теоретической сушилке (на рис 5.4 линия
ВС);
2. Из произвольной точки «е» на линии i1=const проводится отрезок ef;
3. По формуле (5.29) определяется отрезок, который откладывается от
точки «е» вверх « Е  e», если Δ>0, или вниз « Е  e», если Δ<0;
4. Точка Е лежит на линии сушки реальной сушилки, поэтому для её
нахождения соединяют точки В и Е  ( Е  ) и продолжают её до
пересечения с линией t2=const. Линия ВС " или ВС’- искомые линии
сушки, а точки С  и С  характеризуют параметры сушильного агента
на выходе из сушилки.
5. После завершения построения процесса сушки в реальной сушилке
на диаграмме i  x производится сравнение параметров сушильного
агента, полученных из аналитического расчёта, с параметрами,
определёнными по диаграмме.
6. Производится
анализ
энергоэффективности
процесса
сушки.
Оптимальным считается вариант при i1  i 2 .
После окончания процесса сушки принимают один из трех конечных
параметров
воздуха:
относительную
влажность,
температуру
или
влагосодержание. Проведя на диаграмме 1-х рабочую линию через точки,
определяющие начальные параметры воздуха и один из заданных (φ = const;
i2 = const или x=const,), определяют все конечные параметры теплоносителя воздуха, а также расход воздуха и теплоты на проведение процесса сушки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разность удельных расходов теплоты в реальной и в теоретической
сушилках выражается через разность энтальпий сушильного агента на входе
и выходе из сушилки:
Термический
q  qТ 
i1  i2

x2  x0
коэффициент
полезного
(5.30)
действия
(эффективность)
сушилки
=r/q,
(5.31)
где r — удельная теплота парообразования воды, определяемая по
температуре
мокрого
термометра,
кДж/кг; q — удельный
расход
теплоты, кДж/кг.
Параметры эффективности работы сушильной установки сведены в таблицу:
Т а б л и ц а 5.3. . Параметры эффективности работы сушильной установки
Параметр эффективности
1.Удельный расход сушильного агента
(в килограммах сухого воздуха на
килограмм испаренной влаги)
2.Удельный расход теплоты
(в килоджоулях на килограмм
испаренной влаги)
3. Влагосъем с 1 м3 рабочего объема
сушильной камеры (в килограммах
испаренной влаги на 1 м сушильной
камеры в час)
Расчетная формула
l
L
1
,

W x2  x0
где x0 и x2 - влагосодержание сушильного
агента на входе и выходе из сушильной
установки
соответственно
(в
килограммах влаги на килограмм сухого
воздуха); L - расход сухого воздуха, кг/с;
W - массовый расход испаренной влаги,
кг/с.
q
Q
i i
 1 0 ,
W x2  x0
где i0 и i1 - соответственно энтальпии
сушильного агента на входе в калорифер
и в сушильную камеру (в килоджоулях
на килограмм испаренной влаги).
A
W
,
V
где V- объем цилиндрической части
сушильной камеры, м3.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл.5.3
4. Тепловой кпд
n
r
,
q
где r - теплота парообразования при
температуре мокрого термометра
(в килоджоулях на килограмм
испаренной влаги).
5.6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА
КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ
При определенном сочетании параметров сушильного агента (t и  ) и
скорости
его
движения
относительно
материала
достигается
соответствующий режим сушки. Кроме этих факторов на него влияет также
давление, если оно значительно отклоняется от атмосферного (вакуумсушка). Для обеспечения заданных режимов сушки чаще всего используют
следующие ее варианты:
 основной,
или
нормальный,
-
сушильный
агент
однократно
нагревается в калорифере до требуемой температуры и поступает в
сушилку, из которой выбрасывается в атмосферу;
 с рециркуляцией отработанного сушильного агента - часть его из
сушилки возвращается в калорифер (на его вход или выход), где
смешивается со свежим воздухом;
 с промежуточным подогревом сушильного агента в нескольких
калориферах; сначала он нагревается в первом калорифере, затем
контактирует с высушиваемым материалом в первой части сушилки,
снова нагревается во втором калорифере, соприкасается с материалом
во второй части сушилки и т.д.;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 с ретуром сухого продукта - часть его возвращается в сушилку для
досушки, а также для придания влажному материалу на входе в
аппарат необходимой сыпучести.
1. Основной вариант сушки изображен на рис. 5.2 и 5.3: точки А, В и
С соответствуют состоянию воздуха перед калорифером, за ним и на выходе
из сушилки; вертикальный отрезок АВ (х 0 = x 1 ) отражает нагрев воздуха в
калорифере, линия ВС- процесс сушки.
Расход воздуха L и удельный расход l (на 1 кг испаренной влаги W),
необходимые и достаточные для проведения процесса и выбора отвечающего
требованиям энергоэффективности вентилятора, определяют по уравнению
(5.15 и 5.16). При определении этих параметров с использованием (i – х)
диаграммы необходимо учитывать масштаб диаграммы.
Количество
теплоты,
необходимое
для
обеспечения
оптимального
сочетания установленного стандартом качества продукции, затрат тепловой
энергии и выбора нагревателя (калорифера) вычисляют по уравнению (5.18 и
5.20). При определении этих параметров с использованием (i – х) диаграммы
необходимо учитывать масштаб
mi
M.
mx
Энергоэффективность оценивают по внутреннему балансу сушильной
камеры с использованием уравнения (5.30).
2. Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха. При сушке
по этой схеме (рис. 5.5) часть отработанного воздуха возвращается и
смешивается
перед
наружным
калорифером
со
свежим
воздухом,
поступающим в сушилку. В некоторых схемах смешение отработанного
воздуха со свежим может происходить после наружного калорифера.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.5. Схема конвективной сушилки с частичной рециркуляцией отработанного
воздуха и обозначением параметров сушильного агента и материала
Параметры смеси, получаемой при смешении L0 кг/ч свежего и L2 кг/ч
отработанного воздуха (в пересчете на абсолютно сухой воздух) с
различными параметрами (x0, i0, x2, i2), можно определить, пользуясь
правилом аддитивности:
xсм 
L0 x0  L2 x2
L0  L2
iсм 
L0i0  L2i2
L0  L2
Разделив все члены правой части полученных уравнений на L0 и обозначив
отношение L2 / L0 = n (кратность смешения), находим
хсм 
х0  nx2
1 n
(5.32)
iсм 
i0  ni2
1 n
(5.33)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.5.6. Диаграмма процесса сушки с частичной рециркуляцией отработанного
воздуха
Решая уравнения (5.32) и (5.33) относительно n и приравнивая полученные
выражения, найдем уравнение связи между параметрами компонентов и
смеси:
хсм  х0 iсм  i0

х2  хсм i2  iсм
(5.34)
Уравнение (5.34) изобразится на диаграмме i - x прямой линией,
проходящей через точки, характеризующие состояние компонентов смеси
(свежего и отработанного воздуха). Точка, отвечающая составу смеси, делит
эту прямую на отрезки, находящиеся в отношении L2 / L0 = n.
Для сушилки с рециркуляцией требуется больший расход энергии на
вентилятор и большие капитальные затраты, чем для сушилки основной
схемы. В связи с этим выбор кратности циркуляции воздуха следует
производить на основе технико-экономического расчета.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам.
Сушилка, работающая по этой схеме (рис. 5.7) , состоит из ряда зон, в
каждой
из
которых
установлен
дополнительный
калорифер.
Такой
многократный или ступенчатый подогрев воздуха в сушильной камере
позволяет не только вести сушку в мягких условиях – при небольшом
перепаде температур в камере, но и обеспечивает более гибкие условия
сушки.
Воздух, нагретый во внешнем калорифере, проходит зону I, где извлекает
из материала часть влаги и несколько охлаждается, после чего поступает в
зону II, на входе в которую, нагревается в калорифере К1, сушит материал,
после чего вновь подогревается в калорифере К2 , затем поступает в
следующую зону и т.д.
Рис. 5.7 Принципиальная схема сушилки с промежуточным подогревом воздуха по зонам
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.8. Изображение теоретического процесса сушки с промежуточным подогревом
воздуха по зонам на i—х диаграмме
Таким образом, воздух проходит последовательно все зоны, в каждой из
которых осуществляется процесс сушки по основной схеме. Поэтому
изменение состояния воздуха носит ступенчатый характер и изображается на
диаграмме I – x ломанной линией AB′C′ B′′ C′′ B′′′C (для теоретической
сушилки).
Согласно схеме (рис. 5.7.), отработанный воздух каждой предыдущей
ступени является исходным для последующей и нагревается в ней при
x = const.
Расход абсолютно сухого воздуха одинаков для всех зон и равен его
расходу для всей сушилки:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
l W   l W   l W   L
DCm
W
(5.35)
X
Или
W
W 
W 
W



x0  x0 x0  x0
x0 x2  x0
(5.36)
откуда


W
x0  x0  x2  x0
W
x0  x0  x2  x0 
W 
W
W 
(5.37)
W
Таким образом, влагосодержание воздуха увеличивается от зоны к зоне.
x0 x0  x2  x0 
При этом перепад влагосодержаний в каждой зоне пропорционален
относительному количеству испаренной в ней влаги.
Суммарный удельный расход тепла во всех зонах:
q  i ( AB  C B  C B) m1  lABm1
(5.38)
Общий расход воздуха в сушилке
Q  LABm1 
ABm1
W
CDmx
(5.39)
Следовательно, общий расход воздуха и тепла в данном случае тот же, что
и в сушилке основной схемы, работающей при тех же начальных (точка А) и
конечных (точка С) параметрах воздуха. Температура нагрева воздуха в
рассматриваемом варианте значительно ниже, чем в сушилке основной схемы
(t1‹ t3).
Действительную
сушилку,
работающую
по
этому
варианту,
рассчитывают последовательно от зоны к зоне, производя построение
процесса для каждой зоны так же, как для сушилки основной схемы
(с однократным использованием воздуха).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для каждой зоны, в соответствии с количеством испаренной в ней влаги
(W’,W”,….и т.д.), определяют величину ∆(∆’, ∆”,…и т.д.), причем ∆ для
различных зон могут иметь как положительные, так и отрицательные
значения.
При расчете задаются двумя параметрами отработанного воздуха на
выходе из сушилки (обычно t2 и φ2) и двумя параметрами (t и φ) нагретого
или
отработанного
воздуха
для
каждой
зоны,
которые
должны
соответствовать намеченному режиму сушки по зонам.
На диаграмме i – x (рис. 5.9.) сначала строят процесс в теоретической
сушилке, работающей при тех же начальном и конечном параметрах воздуха,
т.е. по точкам А(x0, φ0) и С (t2 ,φ2), и получают ломаную АВС. Отрезок на оси
абсцисс диаграммы, отвечающий х2 – х0, делят на части, пропорциональные
количествам испаренной по зонам влаги W’,W”,W’”…., и получают точки,
характеризующие влагосодержание отработанного воздуха по зонам (x0’,
x0”…). Из этих точек проводят линии x = const, ограничивающие пределы
изменения состояния воздуха в каждой зоне. Дальнейшее построение
осуществляют последовательно для всех зон, начиная от первой, как для
сушилок основной схемы.
Рис. 5.9. Изображение на i – x – диаграмме процесса реальной сушки с промежуточным
подогревом воздуха по зонам.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.7. ПУТИ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
СУШКИ
Совершенствование
технологического
процесса
сушки
в
АПК
обусловлено необходимостью экономии энергоресурсов, улучшения качества
продукции и повышения энергоэффективности ТП. Реализуются следующие
направления [52 -61] :
 применение технологий, при которых на сушку поступают наиболее
подготовленные к ней материалы (например, тонкодисперсные, с
широкими порами и т. п.);
 разработка типовых сушилок, пригодных для сушки больших групп
материалов;
 создание оптимальной гидродинамики в сушильных аппаратах;
 рациональное совмещение подготовительных стадий механического
обезвоживания,
выпаривания
предварительного
перегрева
(для
сгущения
растворов
(при
жидкой
фазы),
распылительном
высушивании) и собственно сушки;
 развитие нетрадиционных способов сушки-ИК и УФ излучением,
высокочастотной, СВЧ и акустической, со сбросом давления (в
материале происходят самовскипание и частичный механический
вынос
влаги),
перегретым
паром
(его
теплоемкость
больше
теплоемкости воздуха, поэтому к материалу подводится большее
количество теплоты), с использованием ПАВ (они ослабляют связь
влаги с материалом);
 применение комбинированных сушилок - с комбинированным
подводом теплоты, а также сочетающих сушку с другими процессами
(измельчением, гранулированием, химическими реакциями и т. д.);
 использование экологически рациональных сушилок - безуносных
(сушка происходит одновременно с улавливанием готового продукта,
например в сушилках со встречными закрученными потоками), с
организацией процесса таким образом, чтобы на пылеочистку
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поступало меньшее количество крупнодисперсного материала, а
также
с
максимальной
сушильного агента
утилизацией
теплоты
отработанного
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИКИ
ПРОЦЕССА ВЫПАРИВАНИЯ
Процесс выпаривания – энергоемкий процесс, особенно если теплота
испарения
растворителя
велика,
как,
например,
у
воды.
Поэтому
составляющая на энергозатраты при выпаривании может быть весьма
существенной в себестоимости производства товарного продукта, особенно
если цены на сырье невысоки, а производство крупнотоннажное. Повышение
энергоэффективности технологического процесса выпаривания
является
одной из наиболее актуальных проблем перерабатывающих производств
АПК [23,51,52].
6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Выпариванием называется процесс концентрирования растворов твердых
нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и
отвода образовавшихся паров.
В промышленных производствах АПК выпаривание обычно проводят при
кипении раствора.
При выпаривании растворов твердых веществ достигают насыщения
раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора
происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное
вещество.
Выпаривание применяют для повышения концентрации разбавленных
растворов
или
выделения
из
них
растворенного
вещества
путем
кристаллизации.
Целевыми продуктами являются:
 концентрированный раствор, который может содержать, в том числе,
и твердую фазу;
 образовавшийся
в
результате
выпаривания
так
называемый
вторичный (соковый) пар, который может быть использован для
технологических нужд в зависимости от его свойств .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс выпаривания широко используют в перерабатывающей отрасли
АПК при концентрировании сахарных и томатных соков, молока, сыворотки
и др. Как правило, выпаривают водные растворы.
Выпаривание проводят в выпарных аппаратах. Процесс выпаривания
может проводиться непрерывно и периодически.
Аппараты
периодического
действия
используют
в
основном
в
производствах малого масштаба.
В крупнотоннажных производствах применяют непрерывно действующие
выпарные установки, площадь поверхности нагрева которых достигает 6000...
10 000 м2. При таких поверхностях нагрева решающим фактором, который
определяет энергоэффективность производства, является расход греющего
пара и воды.
Выпаривание осуществляют как под вакуумом, так и при атмосферном и
избыточном давлениях.
При выпаривании под вакуумом в аппарате создается вакуум путем
конденсации вторичного (сокового) пара в специальном конденсаторе и
отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум - насоса.
Выпаривание под вакуумом позволяет:
 снизить температуру кипения раствора, что особенно важно при
выпаривании
термолабильных
растворов,
т.е.
растворов,
чувствительных к высоким температурам;
 увеличить полезную разность температур - разность температур
между температурой греющего пара и температурой кипения
раствора и, как следствие, снизить расход тепловой энергии;
 увеличить движущую силу теплопередачи и, как следствие,
уменьшить
площадь
поверхности
выпарных
аппаратов,
а
следовательно, их материалоемкость;
 указанные факторы позволяют снизить энергоемкость продукции и
повысить коэффициент энергоэффективности установки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Между
тем,
при
выпаривании
под
вакуумом
используют
дополнительное оборудование (конденсатор и вакуум – насос), что приводит
к удорожанию установки.
При
выпаривании
под
атмосферным
давлением
образующийся
вторичный пар сбрасывается в атмосферу.
При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может
быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления
теплиц и т. п. Выпаривание под давлением связано с повышением
температуры кипения раствора, поэтому применение данного способа
ограничено свойствами растворов и температурой теплоносителя.
В качестве теплоносителей (источников тепла) в выпарных аппаратах
применяют:
 конденсирующийся пар (чаще всего водяной);
 остывающую
жидкость
(воду,
специальные органические
или
кремнийорганические теплоносители);
 неконденсирующийся газ (например, топочный);
 ТЭНы,
электроспирали
выделение
тепла
и
при
прочие
устройства,
прохождении
использующие
электричества
через
электропроводящие среды, в том числе через концентрируемую
жидкость.
По способу передачи тепла выпарные аппараты классифицируют
следующим образом:
1. Греющий агент (теплоноситель) проходит по межтрубному
пространству греющей камеры, в трубках которой кипит
выпариваемый раствор;
2. Греющий агент проходит внутри змеевика, рубашки, между
двойными стенками;
3. Греющий агент приводится в непосредственное соприкосновение
с выпариваемой жидкостью;
4. Нагревание ведется при помощи передачи тепла излучением
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аппараты, работающие по принципу (1) и (2), объединяют под общим
названием «поверхностные», поскольку передача тепла в них осуществляется
через стенку аппарата. Это наиболее распространенные типы аппаратов.
Аппараты, работающие по принципу (1), делятся на:
 аппараты с объемным заполнением трубного пространства;
 пленочные (с падающей или восходящей пленкой);
 с естественной циркуляцией выпариваемого продукта в аппарате в
результате конвекции;
 с принудительной циркуляцией (насосами);
 с вертикальным, наклонным и горизонтальным расположением
трубчатки.
В производствах АПК используют однократное и многократное
выпаривание.
6.2. АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОДНОКРАТНОГО ВЫПАРИВАНИЯ.
МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ ОДНОКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ
УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Конструкция и принцип действия однокорпусного выпарного аппарата
Однократное выпаривание проводят в установке, показанной на рис. 6.1.
Такие установки применяют в малотоннажных производствах. Однократное
выпаривание
можно
проводить
непрерывно
или
периодически.
Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не
используется, а конденсируется в конденсаторе.
Выпарной аппарат состоит из верхней части — сепаратора 1 и нижней —
греющей
камеры
2,
которая
представляет
собой
кожухотрубный
теплообменник. В трубном пространстве находится кипящий раствор, а в
межтрубное подается греющий пар. В
сепараторе с отбойниками капельки
отделяются от вторичного пара, которые затем конденсируются. Конденсат
вместе с охлаждающей водой удаляется через барометрическую трубу 5 в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
колодец. Концентрированный раствор с заданной концентрацией ВК
непрерывно откачивается из нижней части выпарного аппарата в хранилище
готового продукта.
Рис.6.1. Схема однокорпусной выпарной установки:
1 – сепаратор 2 – греющая камера 3 – циркуляционная труба 4 – барометрический конденсатор
5 – барометрическая труба 6 – вакуум-насос
На рис. 6.1 представлен выпарной аппарат с внутренней цикруляционной
трубой 3, который работает по принципу направленной естественной
циркуляции. Исходный разбавленный раствор поступает в нижнюю часть
сепаратора 1 и затем попадает в кипятильные трубы. Первичный пар
направляют
в
межтрубное
пространство
греющей
камеры,
где
он
конденсируется, отдавая теплоту конденсации через стенки кипятильных труб
к кипящему раствору.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Направленная естественная циркуляция вызывается различием плотностей
кипящего раствора в циркуляционной трубе 3 и в кипятильных трубах
греющей камеры 2. Разность плотностей обусловливается различием
удельного теплового потока, приходящегося на единицу объема раствора: в
кипятильных трубах он выше, чем в циркуляционной трубе. Поэтому
интенсивность кипения, а, следовательно, и парообразование в них тоже
выше; образующаяся здесь парожидкостная смесь имеет меньшую плотность,
чем в циркуляционной трубе. Это приводит к направленной циркуляции
кипящего раствора, который по циркуляционной трубе опускается вниз, а по
кипятильным трубам поднимается вверх. Парожидкостная смесь попадает
затем в сепаратор, в котором пар отделяется от раствора, и его выводят из
аппарата. Упаренный раствор выходит из штуцера в днище аппарата. В
аппаратах с естественной циркуляцией раствора создается организованный
циркуляционный контур по схеме: кипятильные (подъемные) трубы - паровое
пространство - циркуляционная (опускная) труба - подъемные трубы и т.д.
Циркуляция раствора способствует снижению отложения накипи на стенках
труб. Скорость движения раствора составляет 1-3 м с .
Определение затрат тепловой энергии. Материальный и тепловой балансы
однокорпусной выпарной установки непрерывного действия
При расчете выпарного аппарата определяют количество выпарной воды
W при заданной начальной В н и конечной В к концентрации раствора, расход
греющего пара D и поверхность нагрева F выпарного аппарата.
Материальный баланс выпарного аппарата составляют при допущении,
что отсутствует унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими
из кипящего раствора во вторичный пар.
При составлении уравнения материального баланса введены следующие
обозначения:
G к - количество раствора поступавшего на выпаривание, кг/с;
G н -конечное количество упаренного раствора, кг/с;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В н - начальная концентрация раствора, %;
В к - конечная концентрация раствора, %;
W - количество выпаренной воды, кг/с.
Материальный баланс однократного выпаривания (рис. 6.2) выражают
двумя уравнениями:
по всему веществу:
Gн  Gк  W ,
(6.1)
Gн Bн  Gк Bк
(6.2)
и по нелетучему продукту:
или
Gн Bн Gн  W  Bк

100
100
(6.3)
Из сопоставления уравнений (6.1) и (6.3) находят количество выпаренной
воды W при изменении концентрации раствора от Вн до Вк или конечную
концентрацию раствора Вк , если количество выпаренной воды задано
технологическим регламентом:
 B 
W  G 1  н  ;
 Bк 
Вк 
Gн Bн
Gн  W
(6.4)
(6.5)
Расход греющего пара D (кг/с) на сгущение раствора находят из решения
уравнения теплового баланса на основании данных, представленных в табл.
6.1:
Q1  Q2  Q3  Q4  Q5  QП
(6.6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В таблице 6.1 приняты следующие условные обозначения:
i1 , i2 -
энтальпия греющего и вторичного пара, Дж/кг; С1 , С2 , Св -теплоемкость
исходного, сгущенного растворов и выпариваемой воды, Дж/кгК;
t1 , t2 , tk - температуры исходного, сгущенного растворов и конденсата, С
Уравнение теплового баланса имеет вид:
G c1 t1  D i1  (G c2  W cв ) t 2  W i2  D ck t k  QП
(6.7)
Из уравнения (6.7) определяют расход греющего пара D, необходимый
для сгущения раствора:
 G  c2 t2  c1t1   W  i2  cв t2    Qп

D



  i1  cк tк     i1  cк tк     i1  cк tк  
(6.8)
Рис. 6.2. К составлению уравнения теплового баланса однокорпусного выпарного аппарата
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т а б л и ц а 6.1. К составлению уравнения теплового баланса однокорпусного
выпарного аппарата
Приход теплоты, Вт
Расход теплоты, Вт
С исходным раствором
Со сгущенным раствором
Q  Gc 2 t 2  Wc в t 2  Gc 2  Wc в t 2
Q1  Gc1t1
С греющим паром
С вторичным паром
Q4  Wi2
Q2  Di1
С конденсатом
Q5  Dск t к
____________
Потери в окружающую среду
____________
Qп
Если принять, что при поступлении на выпаривание исходный раствор
имеет температуру, равную температуре кипения, и что имеют место
тепловые потери, то теоретический расход пара D (кг) на однокорпусную
выпарную установку составит:
D1 
W  i2  cв t2 
(6.9)
i1  cк tк
Удельный расход пара d (кг/м), отнесенный к 1 кг испаренной воды,
определяют по выражению:
d
D i2  cв t 2

W i1  cк t к
(6.10)
При простом выпаривании в одиночном выпарном аппарате расход
греющего пара составляет 1,1-1,2 кг на образование 1кг вторичного пара.
Такой высокий удельный расход пара обуславливает высокую энергоемкость
продукции. В этой связи использование однокорпусного выпаривания в
технологических
линиях
переработки
сырья
ведет
энергоэффективности всего производства и требует
совершенным энергосберегающим технологиям.
к
снижению
переход к более
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расчет поверхности нагрева выпарных аппаратов
Основным параметром при выборе (по каталогам) выпарного аппарата
является поверхность нагрева F, которую определяют из следующих двух
уравнений для тепловой нагрузки на аппарат:
1) Из основного уравнения теплопередачи
Q  kFt
(6.11)
2) Из уравнения тепловой нагрузки выпарного аппарата по расходуемому
пару
Q  D  i1  cк tк   Dr
(6.12)
Приравняв правые части уравнений (6.11) и (6.12), получим:
kF t  Dr ,
отсюда поверхность F м 2 :
F
Dr
к t
(6.13)
При определении величины действительной
поверхности нагрева
выпарного аппарата в формулу (6.13) подставляют расход пара .
t 
где
U
W
F
Q Wr rU


KF kF
k
,
(6.14)
- массовое напряжение поверхности нагрева, т.е. количество
кг
воды, выпариваемой с 1 м 2 поверхности нагрева за 1 секунду,  2 
м с

При заданной производительности аппарата
W , (кг )
с
.
и известном
массовом напряжении k ,  2  поверхность нагрева выпарного аппарата
 м с 
кг
определяют по формуле:
F
W
U
(6.15)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Влияние температурных потерь на коэффициент энергетической
эффективности выпарной установки
Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления
первичного греющего и вторичного паров, следовательно, определены и их
температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров
называют общей разностью температур выпарного аппарата:
t об  TГ  t В.П .
Общая
разность
температур
связана
(6.16)
с
полезной разностью
температур соотношением:
t П  tОБ      Т Г  t В.П .    
(6.17)
Обозначив t В.П .      t K , получим
t П  Т Г  t K
Величины

и
 называют
температурными
(6.18)
депрессиями
(температурными потерями).
Величину  называют концентрационной температурной депрессией и
определяют как повышение температуры кипения раствора по сравнению с
температурой кипения чистого растворителя при данном давлении:
  t K  t В.П .
(6.19)
где t K , t В. П . - температуры соответственно кипения раствора и чистого
растворителя; последняя численно равна температуре вторичного пара при
данном давлении.
Таким образом, температура образующегося при кипении растворов
вторичного пара (т. е. пара над раствором, который затем в виде греющего
идет в следующий корпус) ниже, чем температура кипения раствора, и
поэтому часть общей разности температур всей установки теряется
бесполезно.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В технической литературе приводятся сведения по температурам кипения
растворов различных концентраций, как правило, при атмосферном
давлении -  атм, которую легко определить по справочникам. При других
давлениях  находят с помощью уравнения И. А. Тищенко:
  1,62 10 2 (Т 2 / r ) АТМ ,
(6.20)
где Т-температура кипения чистого растворителя, К; r-теплота испарения
чистого растворителя при данном давлении, кДж/кг.
Температурную потерю  называют гидростатической температурной
депрессией; она характеризует повышение температуры кипения раствора с
увеличением
давления
гидростатического
столба
жидкости.
Гидростатическая депрессия  проявляется лишь в аппаратах с кипением
раствора в кипятильных трубах нагревательной камеры. В этом случае за
температуру кипения раствора принимают температуру кипения в средней
части кипятильных труб. Тогда
  tCP  t В.П . ,
(6.21)
где tср- температура кипения растворителя при давлении Рср в средней части
кипятильных труб, К; tВ.П. - температура вторичного пара при давлении в
аппарате Ра, К.
Давление в средней части кипятильных труб определяют по выражению
PCP  Pa  H ПЖ g / 2 ,
(6.22)
где Н - высота кипятильных труб, м; рпж- плотность парожидкостной смеси в
аппарате, кг/м3.
Для ориентировочных расчетов можно принять, что доля пара в кипящем
растворе (паронаполнение) ɛ = 0,5. Тогда плотность парожидкостной среды
равна половине плотности раствора  ПЖ 
Ж
2
. Поэтому
PCP  Pa  H ПЖ g / 4
(6.23)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В МНОГОКОРПУСНЫХ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВКАХ
(МВУ)
Многокорпусное выпаривание
Одним из наиболее эффективных способов снижения энергопотребления
при выпаривании является применение выпарных батарей – многокорпусных
выпарных установок (МВУ)( рис. 6.3 ). Корпус выпарной батареи
представляет собой выпарной аппарат. Корпуса МВУ работают под разным
давлением. При этом греющая камера корпуса с менее высоким давлением
служит одновременно и конденсатором вторичных паров из корпуса с более
высоким давлением, т. е. испарение растворителя в корпусе с меньшим
давлением происходит за счет конденсации вторичных паров из корпуса с
большим давлением. Корпус МВУ с наибольшим давлением (корпус первой
ступени) обогревается за счет внешнего источника теплоты. Вторичные пары
из
корпуса
с
наименьшим
давлением
(корпус
последней
ступени)
направляются на конденсацию в отдельный конденсатор. Таким образом,
энергозатраты сокращаются в число раз, пропорциональное количеству
корпусов МВУ.
Существуют две основные схемы формирования выпарных батарей:
 прямоточная (рис. 6.3.);
 противоточная (рис. 6.4.).
Схема, где жидкость по мере концентрирования поступает из корпуса с
большим
давлением
в
корпус
с
меньшим
давлением,
называется
прямоточной. Здесь в качестве корпусов использованы выпарные аппараты с
естественной циркуляцией.
Схема, в которой жидкость по мере концентрирования поступает из
корпуса с меньшим давлением в корпус с большим давлением, называется
противоточной. Здесь в качестве корпусов использованы выпарные аппараты
со свободно стекающей пленкой и принудительной циркуляцией.
Здесь и далее нумерация корпусов будет производиться от наибольшего
давления к наименьшему.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.6.3. Прямоточная многокорпусная выпарная установка
Рис. 6.4. Противоточная многокорпусная выпарная установка
Преимущества и недостатки этих схем заключаются в следующем.
При применении прямоточной схемы подача раствора из корпуса в корпус
осуществляется самотеком за счет перепада давлений (давление в каждом
последующем корпусе ниже, чем в предыдущем
Р1
Р2
Р3
и т.д.).
Отсутствуют энергозатраты на перекачку раствора. При этом более полно
используется
энергетический
потенциал
самого
раствора,
поскольку
конечный концентрат выводится из корпуса МВУ с наименьшим давлением,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а стало быть, и с наименее возможной в данных условиях температурой.
Происходит процесс самоиспарения до температуры кипения раствора в
каждом последующем корпусе установки. Это также приводит к экономии
энергии. Но снижение температуры раствора по мере роста концентрации
раствора, которое имеет место в прямоточных МВУ, сопровождается ростом
вязкости, поскольку и возрастание концентрации, и снижение температуры
способствуют увеличению вязкости. Увеличение вязкости в свою очередь
вызывает снижение коэффициента теплоотдачи  . Поэтому при такой схеме
за счет увеличения вязкости возможна сильная неравномерность в
распределении
температурных
напоров
между
корпусами,
или
же
необходимо использовать для последнего корпуса выпарной аппарат с
большей площадью поверхности теплообмена.
При применении противоточной схемы увеличение вязкости с
увеличением
концентрации
раствора
в
последних
корпусах
МВУ
нейтрализуется ее уменьшением с ростом температуры. Но с температурной
депрессией происходит совершенно обратное явление (см. формулу 6.19) –
она возрастает как с ростом концентрации, так и с ростом температуры.
Кроме того, при применении противоточной схемы для подачи раствора из
корпуса в корпус необходим насос, причем отдельный для каждого корпуса
(возможно использование для этой цели циркуляционного насоса). Кроме
того, конечный концентрат выводится из первого корпуса МВУ с
наибольшей из возможных в данных условиях температур, а на нагрев
раствора до этой температуры тратится дополнительная энергия.
Полезная разность температур в многокорпусной установке
Суммарную полезную разность температур
 t
п
многокорпусной установки
находят из уравнения
 t
П
 tОБЩ    ,
(6.24)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где tОБЩ - общая разность температур многокорпусной установки, равная
разности между температурой греющего пара в первом корпусе TГ и
температурой вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в
барометрический конденсатор t б .к.
tОБЩ  Т Г  t б.к.
В выражении (6.26) величина
(6.25)
  характеризует суммарные температурные
потери во всех корпусах установки:
n
n
n
1
1
1
    '   "   '"
(6.26)
Кроме указанных выше концентрационной  ' и гидростатической  "
депрессий в многокорпусной установке возникает еще одна температурная
потеря - гидродинамическая температурная депрессия  '". Она вызывается
потерей давления вторичных паров при переходе из одного аппарата в другой
на преодоление местных сопротивлений и трения. Как правило, вторичные
пары - насыщенные, поэтому потеря давления паром влечет за собой
уменьшение его температуры. По разности давлений (температур) паров на
выходе из предыдущего аппарата и на входе в последующий аппарат
определяют гидродинамическую депрессию  "'. В инженерных расчетах
потерянное давление не рассчитывают, а без большой ошибки принимают
гидродинамическую депрессию для каждого аппарата 1,0-1,5 °С.
На рис. 6.5 представлены схема и температурный график выпарной
установки с учетом всех видов депрессий.
На оси абсцисс графика представлены температуры, а на оси ординат
показаны
положения
температурных
точек
в
установке.
Точка
4
соответствует средней температуре кипения раствора, а разность между
точками 4 и 7 характеризует все виды депрессий. Следовательно, разность
между температурами греющего пара (точка 2) и кипения раствора (точка 4)
является полезной разностью температур.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для определения полезной разности температур в каждом корпусе общую
 t
полезную разность
n
распределяют между выпарными аппаратами
различными способами. Наиболее распространен способ распределения,
основанный на принципе равенства поверхностей теплопередачи в каждом
корпусе. По этому способу в установке возможно применение аппаратов с
одинаковыми конструктивными характеристиками; при этом обеспечивается
взаимозаменяемость аппаратов, упрощается и удешевляется их эксплуатация.
В соответствии с первым способом распределения основным условием
является следующее:
F1  F2  ...Fn  F
(6.27)
Полезная разность температур в корпусе
t П 
Q
(KF )
(6.28)
Тогда суммарная полезная разность температур
t П  t П1  t П 2  ...  t Пn
(6.29)
С учетом (6.25)
 t
П
(1/ F )[(Q1 / K1 )  (Q2 / K 2 )  ...  (Qn / K n )]  (1/ F ) (Q / K ) (6.30 )
или
1/ F   t n /  (Q / K )
(6.31)
Тогда для произвольного корпуса
t П1   t П (Q1 / K1 ) /  (Q / K ) ,
t П 2   t П (Q2 / K 2 ) /  (Q / K ) ,
t Пп   t П (Qn / K n ) /  (Q / K )
(6.32 )
Таким образом, при равенстве поверхностей теплопередачи в каждом
корпусе
суммарная
пропорционально
полезная
отношению
теплопередачи в каждом корпусе.
разность
тепловой
температур
нагрузки
к
распределяется
коэффициентам
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.5. Схема аппарата и температурный график выпарной установки:
1-2-конденсация греющего пара (без учета охлаждения конденсата); 5-5-изменение температуры
кипения под действием гидростатического столба жидкости; 4 - температура кипения раствора;
5-б-концентрационная температурная депрессия; 6-7-гидродинамическая температурная
депрессия
6.4. ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА КОРПУСОВ МВУ НА КОЭФФИЦИЕНТ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ПРЕДЕЛЬНОГО И ОПТИМАЛЬНОГО ЧИСЛА КОРПУСОВ МВУ
Расход теплоты уменьшается с увеличением числа корпусов. Отсюда
правомерен вывод о целесообразности увеличения их количества. Однако на
практике
в
многокорпусных
выпарных
установках
число
корпусов
ограничено и обычно не превышает десяти (чаще 3-5). Это объясняется тем,
что с увеличением числа корпусов повышаются температурные потери и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поэтому снижается общая движущая сила процесса - полезная разность
температур
установки.
Графическая
иллюстрация
такой
ситуации
представлена на рис.6.6.
Рис. 6.6. К определению предела числа корпусов (1-3) в
выпарной установке
многокорпусной
Для упрощения принято, что для всех вариантов установок (от одно- до
трехкорпусной - области 1-3 на рис.6.6.) общая разность температур t о6щ
установки и температурные депрессии в каждом корпусе одинаковы.
Поскольку t о6щ снижается с увеличением числа корпусов, то при одной и
той же производительности общая поверхность теплопередачи будет
возрастать. С увеличением числа корпусов движущая сила процесса при
t о6щ = const в каждом корпусе tп снижается, но для обеспечения достаточно
интенсивного процесса кипения величина tп не должна быть ниже 5-7°С
(для аппаратов с естественной циркуляцией раствора).
В противном случае кипение будет неинтенсивным и с низким значением
коэффициента теплоотдачи. Поэтому при расчете выпарных установок
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
необходимо, чтобы значение полезной разности температур для каждого
корпуса не было меньше минимального tп . Предельное число корпусов
min
nпред ориентировочно можно определить из следующего выражения:
nпред = ( TГ - tб .к . - nпред  tп )/ tп ,
min
где
 t
п
(6.33)
-сумма температурных потерь (депрессий) в одном корпусе.
Если предел числа корпусов определяется минимально допустимой
полезной разностью температур tп , то оптимальное число корпусов min
технико-экономическим анализом, учитывающим капитальные вложения и
эксплуатационные затраты.
Энергозатраты выпарной установки, отнесенные к количеству испаренной
влаги, – величина, обратно пропорциональная количеству корпусов МВУ (с
возможными небольшими поправками на начальные условия, разнородность
применяемых в качестве корпусов МВУ типов выпарных аппаратов и т. д.).
Вместе с тем, величина полезного температурного напора, приходящегося на
корпус МВУ, также обратно пропорциональна количеству корпусов МВУ.
Отсюда следует, что суммарная площадь поверхности теплообмена МВУ
прямо пропорциональна количеству корпусов МВУ, если коэффициент
теплопередачи не зависит от удельной тепловой нагрузки, как, например, для
пленочных испарителей со свободно стекающей пленкой. Если коэффициент
теплопередачи уменьшается с уменьшением удельной тепловой нагрузки,
как, например, у выпарных аппаратов с естественной циркуляцией, то
зависимость суммарной площади поверхности теплообмена МВУ от числа
корпусов становится более сильной – пропорционально числу корпусов МВУ
в некоторой степени, которая немного больше, чем 1. Но при применении
циркуляционных аппаратов в качестве корпусов МВУ разбивка процесса на
последовательные стадии способствует смещению усредненной по всем
корпусам концентрации жидкой фазы в процессе выпаривания в меньшую
сторону, что способствует увеличению коэффициента теплопередачи.
Отсюда в первом приближении принимают прямо пропорциональную
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зависимость суммарной площади поверхности теплообмена МВУ, а
следовательно, и текущих амортизационных расходов, от числа корпусов
МВУ.
Еще одна составляющая текущих расходов – затраты на обслуживание –
на крупнотоннажных производствах очень незначительно возрастает с
увеличением числа корпусов МВУ. Если все эти три составляющие
просуммировать, то зависимость суммарных затрат на единицу испаренной
влаги от числа корпусов МВУ будет иметь минимальное значение при
некотором числе корпусов, которое и будет являться оптимальным.
На рис. 6.7 в качестве примера представлена диаграмма изменения
производственных затрат (суммарных и по составляющим) в зависимости от
числа корпусов МВУ (здесь за 100 % условно приняты энергетические
затраты при выпаривании всей влаги в однокорпусном выпарном аппарате).
На рис. 6.7 минимум суммарных затрат соответствует трехкорпусной
МВУ. Этот пример достаточно характерен для производств АПК, где
наиболее частый реальный показатель 2–4 корпуса при сроке эксплуатации
оборудования 10–15 лет.
Капитальные вложения увеличиваются практически пропорционально
числу корпусов, а эксплуатационные затраты с ростом числа корпусов
уменьшаются за счет экономии теплоносителя.
Складывая
капитальные
вложения
и
эксплуатационные
затраты,
определяют суммарные затраты. Минимум этих затрат соответствует
оптимальному числу корпусов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.6.7. Диаграмма изменения производственных затрат в зависимости от числа
корпусов
Увеличению оптимального числа корпусов МВУ могут способствовать
следующие факторы:
 повышение расценок на энергоносители;
 снижение амортизационных расходов за счет увеличения срока
службы оборудования;
 снижение затрат на обслуживание за счет расширения возможностей
и удешевления средств автоматизации.
Отсюда следует, что тенденция к увеличению оптимального числа
корпусов МВУ проявляется в странах с динамично развивающейся
экономикой. Характерный пример – число корпусов в выпарных установках
для промышленности фирмы «GEA Wiegand». Если в 1940–50-х гг. наиболее
распространенными были двухкорпусные установки этой фирмы, то у в 2000х
гг. наиболее оптимальными
стали
считаться
6–7-корпусные при
производительности 25–30 т/ч по выпаренной влаге. При этом пленочные
испарители со свободно стекающей пленкой, используемые в качестве
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
корпусов в вакуумных МВУ этой фирмы, работают при температурных
напорах 3–5 °С.
Указанный пример определения оптимального числа корпусов МВУ –
оценочный. В реальности могут существовать дополнительные факторы,
влияющие на окончательный результат. Это может быть применение
выпарных аппаратов различного типа, применение в технологической схеме
МВУ компрессоров вторичного пара (последний случай будет более
подробно рассмотрен ниже), применение (или отказ от применения)
вакуумирования последних ступеней МВУ. Когда располагаемые параметры
теплоносителя для первой ступени и хладагента для конденсатора могут
обеспечить большой общий полезный температурный напор на МВУ, работа
однокорпусного выпарного аппарата при таком температурном напоре
технически
недопустима.
Тогда
оптимальное
число
корпусов
МВУ
увеличивается.
При проектировании МВУ после проведения предварительной оценки
оптимального числа корпусов полезно провести расчет оборудования для
двух-трех вариантов МВУ, после чего более точно определить суммарные
затраты для каждого из вариантов и в итоге выбрать наилучший.
Сравнительный расход пара для 1, 2-х и 3-х корпусных установок
представлен в табл.6.2.
Т а б л и ц а 6.2.Сравнительный расход пара для 1, 2-х и 3-х корпусных установок
Греющий пар
Вторичный
пар
Удельный
расход
D m1 =1,1
W 1 =1,0
q 1 =1,1
D m 2 =W 1 =1,0
D m 3 =W 2 =0,9
W2 =
1, 0
=0,9
1,1
W3=
1,1
0.9
=0,82 q 3 =
=0,4
1, 0  0,9  0,82
1,1
q2 =
1,1
=0.6
1, 0  0,9
Число Экономия
корп. пара
1
___
2
45%
3
33%
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Определение затрат тепловой энергии. Материальный и тепловой балансы
многокорпусной выпарной установки
Уравнения материальных и тепловых балансов для многокорпусных
установок представляют собой системы уравнений, записанных для каждого
корпуса в отдельности.
Уравнения материального баланса позволяют определить общее количество
испаренной воды Wобщ в установке и концентрацию растворенного компонента
Вi по корпусам при условии, что задан закон распределения испаренной воды
по корпусам. При решении инженерных задач для определения количества
воды, выпаренной по корпусам используют соотношение:
W1 : W2 : W3=1,0:1,1:1,2
(6.34)
или
W1 
где
Wобщ  1, 0
1, 0  1,1  1, 2
;W2 
Wобщ  1,1
1, 0  1,1  1, 2
;W3 
Wобщ  1, 2
1, 0  1,1  1, 2
и т.д.,
(6.35)
Wобщ ,W1 ,W2 ,W3 , - соответственно общее количество выпаренной воды и
выпаренной воды по корпусам 1,2,3 и т.д.
Общее количество выпаренной влаги
и концентрации растворов по
корпусам определяют по выражениям:
n
 В
Wn  Wi ;Wобщ  Gн 1  н
i 1
 Вк
Bn 1 
Gn 1 Bn 1


 Gn 1 Bn 1  Wi 
i 1


i n


,

Gn Bn
i n


G
B

 n 1 n 1 Wi 
i 1


(6.36)
,
(6.37)
где n- количество корпусов в установке; Gn , Gn1 - расходы соответственно
исходного и поступающего в n -й корпус раствора; Вн , Вк , Вn1 - концентрации
растворов соответственно исходного, упаренного и в n -1 корпусе (в кг
упаренного раствора на 1 кг исходного раствора).
Т.о. концентрацию упаренного раствора определяют по выражениям:
после первого корпуса
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
B1 
Gн Bн
,
Gн  W1
(6.38)
B1 
Gн Bн
и т.д.
Gн  W1  W2
(6.39)
после второго корпуса
Рассмотрим
тепловой
баланс
трехкорпусной
вакуумной
выпарной
прямоточной установки, первый корпус которой обогревается свежим
насыщенным водяным паром (рис. 6.8). На рис. 6.8 введены следующие
обозначения: D1 - расход свежего (первичного) пара, 
 с
кг 
;

 кДж 
iГ 1 , 
 кг 
кДж 
0
энтальпия греющего пара, 
 ;  1 - температура греющего пара, С ;
 кг 
W1 ,W2 ,W3 - массы воды, выпариваемой в первом, во втором и третьем корпусах
соответственно.
После первого корпуса отбирается Е1   экстра-пара. Соответственно
 с 
кг
расход вторичного пара из
первого корпуса, направляемого
греющего пара во второй корпус, составляет ( W1  E1 ).
в качестве
После второго
корпуса отбирается Е2   экстра-пара. Соответственно расход вторичного
 с 
кг
пара из второго корпуса, греющего третий корпус, составляет ( W2  E2 ).
Уравнения тепловых балансов по корпусам представлены уравнениями
(6.40-6.42).
кДж 
Тепловая нагрузка Q1 
 на первый корпус:
 кг 
(6.40)
Q1  D1 (iг.1  Ск.1 1 )  GнС0 (tk .1  t0 )  W1 (i1  cв.1tk .1 )  Qn.1
кДж 
Тепловая нагрузка Q1 
 на второй корпус:
 кг 
Q2  W1  E1  i1  Cк.2 2    Gн  W1  C1  tк.2  tк1  
W2  i2  cв 2 tк 2   Qп.2 .
(6.41)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тепловая нагрузка Q1 
кДж 
 на третий корпус:
 кг 
Q3  W2  E2  i21  Cк.33    Gн  W1  W2  C2  tк.3  tк 2  
W3  i3  cв 3tк 3   Qп.3 ,
(6.42)
где t0 - температура исходного раствора; С0 - средняя удельная теплоемкость
исходного раствора; t к.1 , t к.2 , t к.3 - температура кипения раствора; с1 , с 2 , с 3 средняя раствора по корпусам; 1,2 ,3 - температура конденсации греющего
пара по корпусам; С К.1 , С К.2 , С К.3 - средняя удельная теплоемкости конденсата
греющего пара по корпусам;
св1 , св 2 , св3 - средняя удельная теплоемкости воды по корпусам;
Q п1 , Q п 2 , Q п3 - потери тепла в окружающую среду по корпусам.
Потери тепла в окружающую среду по корпусам принимают равными 35% от
Q п1 , Q п 2 , Q п3 - соответственно.
Если раствор поступает в первый корпус предварительно нагретым до t кип ,
т.е. t о  t к1 , то в уравнении для первого корпуса:
GнCо tк1  tо   0 ,
(6.43)
Общее уравнение теплового баланса n-го корпуса имеет вид:
Qn  Wn 1  En 1  in 1  Cк .n n    Gн  W1  W2  ....  Wn 1  Cn 1 


 tк .n  tк  n 1  Wn  in  cвntкn   Qп.n
(6.44)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.8. К составлению теплового баланса трехкорпусной выпарной установки
прямоточного действия: 1,2,3 – выпарные аппараты; 4- барометрический конденсатор;
5 вакуум-насос; 6 насос
6.5. ПУТИ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ ПРИ ВЫПАРИВАНИИ
Существует три основных способа экономии энергии [51,52]:
 многокорпусное выпаривание;
 применение термической компрессии;
 применение механической компрессии.
Использование одного из этих способов позволяет значительно снизить
потребление энергии и повысить энергоэффективность ТП. Часто существует
возможность сочетать два таких способа для сокращения капитальных и
эксплуатационных затрат. В наиболее сложных выпарных установках могут
применяться все три способа.
При разработке МВУ часто бывает, что имеющийся в распоряжении общий
полезный температурный напор на МВУ небольшой, и увеличение числа
корпусов МВУ ограничивается невозможностью дальнейшего уменьшения
температурных напоров на корпус. Так, для МВУ, применяющихся в
производстве концентратов, максимальная температура продукта в первом
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
корпусе испарителя находится в диапазоне 70–75 °С по условиям
обеспечения
качества
концентрата,
а
минимальная
температура
в
конденсаторе ограничена, как правило, 40 °С применением в качестве
хладагента
оборотной
воды.
В
подобных
случаях
для
повышения
энергетического потенциала вторичных паров может быть применено его
сжатие, осуществляемое тем или иным способом (рис. 6.9.).
Рис. 6.9. МВУ с пароструйными компрессорами
На практике с целью повышения коэффициента энергетической
эффективности выпарных установок применяют сжатие вторичного пара
пароструйными компрессорами. Несмотря на то, что компрессоры этого типа
имеют низкий (25–30 %) термодинамический КПД, эти устройства нашли
широкое применение прежде всего благодаря простоте конструкции, малым
габаритам, а следовательно, низкой цене.
В
этих
аппаратах
кинетической
энергии
осуществляется
одного
процесс
потока
инжекции
другому
потоку
–
передачи
–
путем
непосредственного смешения. Поток рабочей (активной) среды, обладающий
большим давлением покоя , приобретает за счет этого давления в
специальном рабочем сопле большую скорость (обычно используются
сверхзвуковые сопла Лаваля).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Работа струйных компрессоров характеризуется следующими основными
параметрами: степенью сжатия, степенью расширения
и коэффициентом
инжекции   Gв G , т. е. отношением массовых расходов вторичного и
0
острого пара.
На рис. 6.10 показан разрез пароструйного компрессора, который
состоит из трёх основных частей: сопло 4, камера всасывания 3, и
диффузора 6, 7, 8.
Рис.6.10. Пароструйный компрессор:
1-фланец; 2-соплодержатель; 3-камера всасывания; 4-сопло; 5-фланцы; 6,7,8диффузор
Входную часть диффузора называют конфузором или камерой
смещения. Острый пар с давлением Р 0 подводится к соплу 4. Проходя черев
сопло, пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает до 1000
м/сек и выше. Выходя из сопла с большой скоростью, пар пролетает через
камеру всасывания в диффузор, увлекая по пути вторичный пар. В
диффузоре скорость пара падает, а давление его возрастает, т.е. компрессор
работает
на
принципе
преобразования
потенциальной
энергии
в
кинетическую в сопле и наоборот, кинетической в потенциальную в
диффузоре.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рис. 6.11. показан процесс расширения острого пара в сопле и
процесс его сжатия в диффузоре в i-s диаграмме. Точка А характеризует
начальные параметры острого пара перед соплом. По линии АВ, равной h,
происходит адиабатическое расширение пара в сопле с падением давления
до давления в камере всасывания. При движении пара в сопле часть
кинетической энергии теряется на трение и превращается в тепло, поэтому в
действительности расширение пара характеризуется политропической
линией АС. В сопле средних размеров превращение кинетической энергии в
тепловую составляет 0,1 h 0 , поэтому, отложив от точки В вверх 0,1 h 0 ,
получим точку D. Проводя горизонталь из точки D до изобары Р 1 получим
точку С, параметры пара в которой и соответствуют концу истечения из
сопла. К соплу подводится острый пар, но при выходе из сопла параметры
его меняются. Правильнее будет острый пар называть рабочим, тогда на
всем протяжении струи пар будет соответствовать этому названию.
Вторичный пар подводится в камеру обычно перпендикулярно струе
рабочего пара и скорость его незначительна, в то время как скорость
рабочего пара на выходе из сопла огромна. Поэтому неизбежен неупругий
удар струи рабочего пара о струю вторичного с потерей кинетической
энергии и повышения теплосодержания пара. Процесс сжатия начинается
не из точки С, а выше по изобаре Р 1 из точки М. Линия MN=h с
характеризует адиабатический процесс сжатия пара в диффузоре. В
диффузоре также будут потери кинетической энергии на трение с
неизбежным повышением теплосодержания пара, и действительный
процесс сжатия пойдет по линии MN 1 .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.11. Работа компрессора в i-s диаграмме
К
недостаткам
термодинамического
пароструйных
КПД)
можно
компрессоров
отнести
(кроме
неизбежное
низкого
смешивание
конденсатов первичного и вторичного пара. В подавляющем большинстве
случаев смешанный конденсат имеет состав, не позволяющий возвращать его
в теплопункт без прохождения стадии водоподготовки, что повышает
стоимость греющего пара. Кроме того, для достижения коэффициентов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
инжекции, близких к 2, даже в вакуумной МВУ следует располагать паром
достаточно высокого давления – свыше 1 МПа.
Струйные
компрессоры,
применяемые
для
повышения
параметров
вторичного пара, по своим свойствам занимают промежуточное значение
между пароструйными эжекторами и инжекторами. Они работают в
диапазонах степеней сжатия 1,2–2,5 и коэффициентов инжекции 0,7–2 .
Конструктивно – это струйные аппараты с цилиндрической камерой
смешения, которая может иметь конфузорный участок той или иной длины.
Другой способ повышения энергетического потенциала вторичного пара –
это его сжатие механическим компрессором какого-либо типа: поршневым,
ротационным или, чаще всего, турбокомпрессором. Такие машины достигают
достаточно
больших
производительности
не
термодинамических
менее
14
000
КПД:
м3/мин.
80–85
Но
при
%
при
меньшей
производительности их КПД снижается (не более 75 % для 1000 м3/мин).
Высокая эффективность работы механических компрессоров при больших
производительностях выпарных установок позволяет применять их даже в
сочетании с однокорпусным выпарным аппаратом.
На рис. 6.12 показан однокорпусный роторно-пленочный испаритель в
сочетании с механическим компрессором вторичного пара. При работе в
установившемся
режиме
такой
аппарат
потребляет
незначительное
количество первичного греющего пара на компенсацию тепловых потерь и
отвод тепла с паровым конденсатом. Отбор остаточного вторичного пара
осуществляется в еще меньших количествах в основном для обеспечения
оперативной регулировки процесса, иногда для отвода избыточного тепла,
связанного с перегревом вторичного пара в результате его сжатия в
компрессоре, что возможно, например, при выпаривании перегретого
продукта. Для пуска такой установки необходимо подать в рубашку
испарителя греющий пар в полном объеме (как на выпарном аппарате без
компрессии пара) и по мере введения в работу компрессора перейти на
обогрев сжатым паром.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.12. ВУ с механическим компрессором вторичного пара
Механически наиболее выгодным является изотермический компрессор.
Удельная работа А по сжатию 1 кг пара (газа) определяется как:
А = p 1 v 1 ln(
p2
p1 ),
(6.45)
где р 1 и р 2 – давления соответственно перед и после сжатия; v – удельный
объем.
При адиабатическом сжатии газа (пара):
А = i 2 – i1 ,
(6.46)
Практически, чаще всего, компрессор осуществляет политропное сжатие:
n 1


 p2  n
 n 


А
 p1V1    1 ,
p
 n 1
 1 

(6.47)
где n – показатель политропы (1 < n < k, k – показатель адиабаты).
В указанных формулах работа будет большей на величину q тр ,
соответствующую работе сил трения, котораяне превышает, как правило, 10
% от величины А.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для турбокомпрессоров, где процесс сжатия близок к адиабатному, работу
определяют по формуле:
А  i2  i1 
W22  W12
q,
2
где q – поправка на отвод тепла и трение;
(6.48)
W22  W12
– поправка на разность
2
скоростей на выходе и на входе в турбокомпрессор.
В
многоступенчатых
компрессорах
наиболее
выгодными
являются
режимы, когда степени сжатия на одной ступени (х n ) относятся к полной
степени сжатия
х=
1
p2
, как xn   x  n , где n – число ступеней сжатия. При этом для увеличения
p1
эффективности работы необходимо осуществлять охлаждение газа (пара)
между ступенями сжатия, чтобы температура на входе последующей ступени
совпадала с температурой на входе предыдущей ступени.
В реальных компрессорах мощность электродвигателя составляет 110–
140 % от потребляемой компрессором при сжатии газа (пара) мощности.
Таким образом, при сжатии пара, например в 3,5 раза, работа, затрачиваемая
на сжатие пара в однокорпусной выпарной установке, может составить 10–15
% от тепловой нагрузки выпарной установки (при пересчете тепловой
нагрузки и мощности электродвигателя компрессора в одни единицы
измерения).
Очевидно, что чем больше степень сжатия, тем больше необходимая
мощность компрессора, затрачиваемая на сжатие 1 т/ч вторичного пара. С
учетом того, что стоимость 1 кВт ч электроэнергии значительно больше, чем
стоимость энергии потребляемого водяного пара (в пересчете на кВт ч),
использование механического компрессора с большими степенями сжатия
может быть нерентабельным. Поэтому для сжатия вторичного пара чаще
всего
используют
одноступенчатые
турбокомпрессоры,
повышающие
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
давление в 1,2–1,7 раза и обеспечивающие общий полезный температурный
напор на выпарную установку не более 15 °С.
При применении механического компрессора, работающего в сочетании с
четырехкорпусной МВУ, можно достичь производительности выпарной
установки в 100–125 кг выпаренной влаги на 1 кВт
ч подводимой
электроэнергии. Это означает, что потребляемая компрессором мощность
составляет 1,3–1,5 % от тепловой нагрузки выпарной установки (очевидно,
что при этом температурный напор на корпус МВУ не превысит 4 °С).
К главному недостатку выпарных установок с механическим сжатием
пара можно отнести высокую стоимость предназначенных для этой цели
компрессоров. Помимо этого, большая площадь поверхности теплообмена
выпарной установки, обусловленная низкими температурными напорами, а
также применение дополнительных элементов очистки вторичного пара
(например,
скрубберов),
обусловленное
повышенным
требованием
компрессоров к качеству сепарации вторичного пара и отсутствию у него
коррозионной активности, обеспечивают высокий уровень амортизационных
расходов для таких выпарных установок. Механические компрессоры,
предназначенные для повышения давления вторичных паров под вакуумом,
выпускаются в ограниченных количествах в очень немногих странах, и
зачастую эксплуатация выпарной установки с механическим сжатием пара
требует разработки специально для нее предназначенного компрессора, что
существенно увеличивает стоимость последнего. Выпарные установки с
механическим сжатием вторичного пара имеют достаточно ограниченное
применение. Чаще всего они используются в странах, где имеется дешевая
гидроэлектроэнергия, а уровень цен на топливо, обеспечивающее получение
пара, высок.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.13. Выпарной аппарат (1) с турбокомпрессором (2)
Выпаривание с применением теплового насоса основано на использовании
вторичного пара в качестве греющего в том же выпарном аппарате. Для этого
температура вторичного пара должна быть повышена до температуры
греющего пара. Повышение температуры вторичного пара достигается
сжатием его в компрессоре или паровом инжекторе. В качестве компрессора
обычно
используется
турбокомпрессор
(Рис.
6.13.).
Вторичный
пар
давлением РВТ и энтальпией i, выходящий из выпарного аппарата,
засасывается в турбокомпрессор, в котором сжимается до давления Р1.
Энтальпия при этом возрастает до iсж. Таким образом, за счет сжатия пар
приобретает теплоту
∆i = iсж – i. Сжатый пар поступает из турбокомпрессора в греющую камеру
выпарного аппарата.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тепловой баланс процесса:
GH cH t H  Di  Wiсж  GK cK t K  Wi  ( D  W )i  QП ,
(6.49)
GH cH t H  Di  Wiсж  (GK  W )  Wi  ( D  W )i  QП ,
(6.50)
или
откуда расход греющего пара
D  GK
cK t K  c H t H
i  cH t H  iсж
Q
W
 П ,
i  i
i  i
i  i
(6.51)
или
D  GH
где
iсж
-
i  c K t K  iсж
cK t K  cH t H
Q
W
 П ,
i   i 
i   i 
i   i 
удельная
энтропия
вторичного
пара
(6.52)
после
сжатия
в
турбокомпрессоре, кДж/кг.
Из уравнения (6.52) видно, что при выпаривании с использованием
теплового насоса расход греющего пара снижается за счет повышения
энтальпии вторичного пара на величину iсж
D W
i  cH t H  iсж
i  i
(6.53)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.14. Выпарной аппарат (1) с инжектроным тепловым насосом
Однако
наряду
с
экономией
греющего
пара
необходимы
затраты
электроэнергии на приведение в действие турбокомпрессора. Мощность
N
где  АД
W (iсж  i)
,
3600 АД  МЕХ
(6.54)
— адиабатический КПД турбокомпрессора;  МЕХ — механический
КПД электродвигателя и привода.
Установка удорожается также на стоимость турбокомпрессора. В
установках с паровым инжектором (рис. 6.14.) греющий пар из котельной
поступает в паровой инжектор. Паровой инжектор представляет собой
несложное устройство типа сопла Вентури, при изготовлении которого не
требуется значительных затрат металла. В результате создания вакуума в
инжектор засасывается вторичный пар давлением РВТ и энетальпией i.
Каждая массовая единица греющего пара засасывает m массовых единиц
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вторичного пара. В результате получают греющий пар в количестве D (1 +
m) с давлением меньшим, чем давление греющего пара, но большим, чем
вторичного пара. Часть пара, равная W – mD, сбрасывается с установки на
вторичные нужды.
Тепловой баланс процесса описывается равенствами
D (1  m) iсж  GH cH t H  GK cK t K  Wi  D(1  m) i 'QП ;
D  GK
(6.55)
cK t K  cH t H
i  cH t H
QП
W

(6.56)
(1  m) (iсж  i ' )
(1  m) (iсж  i ' ) (1  m) (iсж  i ' )
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г л а в а 7. ЭНЕРГЕТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
7.1. МЕТОДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Перемешивание
веществ
одинакового
и
различных
агрегатных
состояний широко используется в технологиях АПК для получения
гомогенных растворов (жидкостей, газов и твердых веществ в жидкостях)
и равномерных гетерогенных смесей — эмульсий (жидкость—жидкость),
суспензий (жидкость—твердые частицы) и твердых сыпучих материалов.
Перемешивание является средством интенсификации процессов тепло- и
массообмена
и
повышения
энергоэфективности
производства
[13,18,22,51,61].
Методы перемешивания, конструкции перемешивающих устройств, их
рабочие режимы и энергоэффективность процесса зависят от агрегатного
состояния и физических свойств перемешиваемых веществ, а также от
требований, предъявляемых к получаемой смеси. Последняя может быть
однофазной (раствор) или двухфазной (иногда многофазной); часто
встречаются двухфазные смеси, у которых сплошной фазой является
жидкость, а дисперсной — мелкие капли другой нерастворимой жидкости,
газовые пузырьки, твердые частицы. Во всех случаях перемешивающее
устройство должно обеспечивать получение однородной смеси при
максимальной производительности и минимальном расходе энергии.
В промышленности получили применение пять методов перемешивания
в жидких средах:
 при помощи механических мешалок с вращательным или
колебательным движением;
 барботажный — путем подачи в жидкую среду газа (пара);
 размещение в потоке неподвижных турбулизирующих устройств;
 с использованием струйных и центробежных насосов;
 электромагнитный – путем воздействия электромагнитного поля
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на ферромагнитные перемешивающие органы.
.
Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств,
которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются:
 Эффективность перемешивающего устройства;
 Интенсивность действия перемешивающего устройства.
Для
повышения
энергоэффективности
процесса
перемешивания
необходимо, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за
наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим
устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое
для обеспечения заданного результата перемешивания.
Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество
проведения процесса перемешивания и может быть выражена по-разному в
зависимости от цели перемешивания. Например, в процессах получения
суспензий
эффективность
перемешивания
характеризуется
степенью
равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата; при
интенсификации тепловых и диффузионных процессов – отношением
коэффициентов тепло - и массоотдачи при перемешивании и без него.
Эффективность
перемешивания
зависит
не
только
от
конструкции
перемешивающего устройства и аппарата, но и от величины энергии,
вводимой в перемешиваемую жидкость.
Эффективность
перемешивания
и
смешивания
жидких,
сыпучих
и
пластических сред оценивается степенью однородности  получаемой смеси:
=1-(a/b),
(7.1)
где а - среднее для нескольких зон объема отклонение от средней
концентрации, %; b- средняя концентрация основного компонента в любой
пробе смеси, взятой из различных зон аппарата, %:
b=Vt t100/(Vжж+Vt t ),
(7.2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где V ж и V t – объемы жидкости и твердых частиц, м³
 t и  ж – плотность твёрдых частиц и жидкости, кг/м³
Интенсивность перемешивания определяется временем достижения
заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при
фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок).
Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для
достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация процессов
перемешивания
приводит
к
уменьшению
размеров
проектируемой
аппаратуры, увеличению производительности, снижению энергоемкости
выпускаемой продукции, повышению энергоэффективности ТП [61,63].
7.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Перемешивание жидкости любым методом сводится к многократному
относительному перемещению элементов ее объема. Сложное движение
жидкости, возникающее в ее объеме
при вращении мешалки, можно
разложить на радиальную u р (вдоль радиуса вращения), тангенциальную
u т (по касательной к окружности, описываемой концом мешалки) и осевую
u о (вдоль оси вала) составляющие. В мешалках различных конструкций
эти составляющие находятся в разных соотношениях. Существуют, однако,
мешалки, у которых две или даже все три составляющие соизмеримы,
поэтому удобнее классифицировать механические мешалки
по
их
конструктивным признакам (рис.7.1).
Наиболее простыми являются лопастные мешалки, состоящие из ряда
вертикальных лопастей прямоугольной формы, прикрепленных к валу.
Основные размеры: Н D  0,8  1,3 ; d D  0,7  0,9 ; b D  0,06  0,1 ;
h 2 D  2 ; h 3 /D=0,3.
h1 D  0,1;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.1. Конструктивные схемы мешалок:
1-3 – двухлопастные; 4 – шестилопастная; 5 и 6 – пропеллерные; 7 – открытая турбинная
с шестью лопастями; 8 – то же, закрытая; 9 - якорная
В аппаратах большой высоты на валу располагают несколько пар
лопастей, повернутых относительно друг друга на 90°, с расстоянием между
ними, равным (0,3—0,8) d . Здесь преобладает радиальное перемещение
жидкости, причем последняя вовлекается вращающимися лопастями во
вращательное движение и свободная поверхность уровня, приобретает
форму,
близкую
движения
к
жидкости
параболоиду
очень
вращения.
мала,
ее
Осевая
циркуляция
составляющая
в
аппарате
незначительна и перемешивание происходит с небольшой интенсивностью.
Большая площадь свободной поверхности уровня способствует всасыванию
воздуха. Во избежание большой глубины воронки (высоты параболоида)
окружная скорость на концах вращающихся лопастей на практике редко
превышает 1 м/с. Для ликвидации воронки часто устанавливают по
образующей аппарата 2—4 плоских отражательных ребра шириной
с  0,1D и высотой h 2  2d . Ребра несколько интенсифицируют процесс
перемешивания, но вызывают рост расхода энергии в 1,3—1,5 раза. Низкая
интенсивность
перемешивания
ограничивает
область
применения
лопастных мешалок жидкостями с вязкостью μ ˃50 Па  с. Некоторое
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
повышение интенсивности перемешивания может быть достигнуто отгибом
лопастей под углом 30—45° к оси вала за счет усиления осевого потока.
Разновидностями лопастных мешалок являются листовые, якорные,
якорно-лопастные, или рамные мешалки, основные размеры которых
приведены в таблице :
Т а б л и ц а 7.1. Размеры основных типов мешалок
Мешалки
d D
b D
h1 D
e D
f D
Листовые
0,5
0,9 - 1,0
0,1
-
-
Якорные
0,9 - 0,98
0,5 - 0,90
0,01 - 0,05
0,06
-
Якорно-
0,9 - 0,98
0,5 - 0,90
0,01 - 0,05
0,06
0,15
лопастные
(рамные)
Листовые мешалки можно рассматривать как лопастные с большой
высотой лопасти. Они, однако, сообщают вращательное
движение
большему объему жидкости, поэтому используются в аппаратах, всегда
снабженных отражательными ребрами. Интенсивность перемешивания
несколько усиливается, если просверлить в листовых лопастях отверстия.
Листовые мешалки применимы для маловязких жидкостей (до 50 Па·с) и
непригодны для перемешивания суспензий.
Якорные мешалки, создающие преимущественно тангенциальное
движение, используют в случае более вязких жидкостей (100 Па·с),
особенно
при
необходимости
интенсифицировать
движение
слоя
жидкости вблизи стенки аппарата. Отражательные ребра устанавливают
выше уровня самой мешалки, причем во избежание возникновения
застойных зон возле ребер последние располагают на расстоянии (0,1—
1,0) e от стенки аппарата. Окружная скорость листовых и якорных
мешалок обычно не превышает 1 м/с.
Для интенсивного перемешивания жидкостей с вязкостью до 10 Па·с
широко используются быстроходные пропеллерные мешалки, окружная
скорость которых достигает 10 м/с. Рабочим органом этой мешалки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
являются лопасти (от 2 до 6) с непрерывно изменяющимся наклоном,
прикрепленные к втулке; по внешнему виду мешалка похожа на
пропеллер самолета или гребной винт. Мешалка сидит на валу, часто
соединенном непосредственно с электромотором, и при своем вращении
создает
радиальное
и
осевое
движение
жидкости
(наряду
с
вращательным). В результате возникают циркуляционные потоки жидкости.
Объем циркулирующей жидкости в единицу времени является важной
характеристикой мешалки и называется
Последний
уменьшается
с
ростом
насосным эффектом
вязкости
жидкости,
Vм .
понижая
эффективность мешалки.
Вследствие вращательного движения жидкости в центральной части
аппарата образуется воронка, которая может быть устранена путем
прикрепления к внутренней поверхности аппарата отражательных ребер.
Осевое движение жидкости и величина Vм могут быть значительно
повышены путем размещения мешалки внутри соосного цилиндра, в
этом случае мешалка подобна осевому насосу.
В практике приняты следующие основные размеры пропеллерных
мешалок: d D  0,15  0,40 ; s d  1 2 ; h1 d  1,2  2,0 ; h2 D  0,8 1,6 , где
s — шаг винта.
При большой высоте перемешиваемого объема (H/D˃2) на валу
размещают несколько пропеллеров, всасывающих и выбрасывающих
жидкость в одинаковых направлениях. В пространстве между двумя
соседними
пропеллерами
перемешивание
благодаря
происходит
встречному
особенно
движению
интенсивное
всасываемого
и
выбрасываемого потоков.
Пропеллерные мешалки рекомендуют для перемешивания и образования
маловязких
эмульсий,
для
процессов
растворения
и
химического
превращения, для получения тонких суспензий (размер твердых частиц ˃0,5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мм ) с объемной концентрацией твердой фазы не более 8—10%, для
диспергирования газов в жидкостях.
Рис. 7.2. Механические мешалки быстроходные:
а – пропеллерная; б – турбинная; в – закрытое лопастное колесо; 1 – аппарат; 2 – рабочее колесо; 3
– вал; 4 – соосный цилиндр (диффузор)
К числу быстроходных относятся также турбинные мешалки, которые
чаще всего состоят из набора (от 4 до 12) вертикальных лопастей
прямоугольной формы, прикрепленных радиально к горизонтальному
диску или непосредственно к ступице. При вращении этого лопастного
колеса в его центральной
части,
как
и
у центробежных
насосов,
создается разрежение, а на периферии — избыточный напор. Благодаря
этому, отброшенная к стенкам аппарата жидкость разделяется на два
потока (вверх и вниз), которые устремляются (всасываются) в центральную
часть колеса с обеих
его
сторон.
В
результате
возникают
два
циркуляционных потока, способствующие перемешиванию жидкости.
Интенсивность циркуляции падает с увеличением вязкости жидкости и
приближением мешалки к днищу аппарата.
Турбинные мешалки применяются в сочетании с отражательными
ребрами, а при необходимости усиления осевого движения
жидкости
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лопастное колесо размещают,
подобно пропеллерам, внутри соосной
трубы (диффузора) или лопатки располагают с наклоном до 45° к оси
вала. Вязкость перемешиваемых жидкостей доходит до 100 Па· с; при
более высокой вязкости целесообразно применять
лопатки,
изогнутые
по окружности или спирали. Наконец, лопасти могут быть закрытыми и
тогда турбинная мешалка аналогична колесу центробежного насоса с
двусторонним всасыванием жидкости. Турбинные мешалки изготовляют
со следующими относительными размерами: d D  0,70  0,35 ; b d  0,2  0,3 ;
d b  1,0 ; h1 d  0,5  1,0 . Области применения турбинных и лопастных
мешалок большей частью совпадают, но первые эффективнее для
диспергирования жидкостей и газов в жидкостях, а также при вязкости
перемешиваемых жидкостей более 10 Па·с. В случае: H/D˃2 на валу
располагается несколько турбинных мешалок. Для перемешивания
высоковязких жидкостей используются шнековые и ленточные мешалки;
первые до
  500 Па·с, а вторые до
  3000 Па·с. У шнековых
мешалок d D  0,65 , s d  1,4 ; у ленточных d D  0,94 и s d  1,1 где s —
шаг винтовой линии (ширина ленты b  0,1d ).
Рис. 7.3. Конструктивное исполнение мешалок: а – шнековая; б - ленточная
Для
получения
эмульсий,
т.
е.
гетерогенных
жидких
смесей,
содержащих один из жидких компонентов в диспергированном виде,
применяют специальное смешивающее устройство. Оно состоит из
набора дисков с просечными отверстиями, сидящих на штоке и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
совершающих возвратно-поступательное движение (колебания). Кромки
соседних отверстий отогнуты в разные стороны. При колебании дисков
жидкости многократно проходят в двух направлениях через отверстия,
перемешиваясь и дробясь на мелкие капли.
Барботажным называется метод перемешивания жидкостей и
суспензий путем пропускания через их объем потока диспергированного
газа. Применение этого метода особенно целесообразно в тех случаях, когда
газ или отдельные его компоненты (например, кислород воздуха) должны
вступать в химическую реакцию с перемешиваемой жидкостью.
Барботажный метод широко используется в процессах массообмена
между
жидкостями
и
газами
или
парами,
где,
благодаря
диспергированию последних, наряду с перемешиванием достигается
большая межфазная поверхность.
Рис. 7.4. Схемы барботажных перемешивающих устройств:
а – аппарат с сетчатым распределителем; б – аппарат со спиральным трубчатым барботером; в
– сочетание трубчатого барботера с лопастной мешалкой; г – аппарат с внутренней
циркуляционной трубой; д – аппарат с внешней циркуляционной трубой; 1 – аппарат; 2 –
газораспределитель; 3, 4 – вход и выход газа
Важным
условием
перемешивающего
эффективной
устройства
является
работы
равномерное
барботажного
распределение
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
диспергированного потока газа по поперечному сечению аппарата. При
небольших диаметрах последнего это условие обеспечивается при помощи
горизонтальной перфорированной решетки с мелкими отверстиями или
пористой плит. В аппаратах средних размеров целесообразно пользоваться
трубчатым барботером, т.е. трубой, изогнутой в форме спирали, с
просверленными в ее стенках отверстиями. В аппаратах больших размеров и
при более вязких жидкостях пользуются сочетанием барботера и лопастной
мешалки; последняя имеет в качестве лопастей трубы с перфорированными
стенками. Аппараты средних и больших размеров часто снабжаются
внутренними
или
наружными
циркуляционными
перемешивающими
устройствами. В обоих случаях циркуляция жидкости создается благодаря
образованию в подъемных трубах газожидкостной смеси, имеющей
меньшую плотность, чем жидкость.
Достоинствами
барботажного
перемешивания
являются
отсутствие
движущихся частей, простота устройства и легкость поддержания твердой
фазы суспензий во взвешенном состоянии. Недостатки этого метода:
большой расход энергии на получение сжатого газа и его применимость
только для маловязких жидкостей. Интенсивность перемешивания при
прочих равных условиях возрастает, и удельный расход воздуха падает по
мере увеличения высоты слоя жидкости.
Перемешивание жидкостей и газов возможно в трубопроводах путем
искусственной турбулизации потока. Для этой цели в трубопроводе после
ввода
компонентов
разнообразные
жидких
неподвижные
или
газообразных
детали,
смесей
обеспечивающие
изменение величины и направления скорости потока.
размещаются
многократное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.5. Схемы устройств для перемешивания в потоке:
а – вставка из полуперегородок; б – диафрагмовая вставка; в – винтовая вставка; г – струйный
смеситель; 1,2 – входы смеси; 3 – выход смеси
Так, например, часто используют поперечные полуперегородки
диафрагмы
со
смещенными
отверстиями;
здесь
поток
и
многократно
расширяется, сужается и изменяет свое направление. Размещение в
трубопроводе винтовых вставок, часто с чередованием направления
винтового
хода
(вправо
и
влево),
приводит
к
многократному
разнонаправленному закручиванию потока. Используются смесители типа
трубы Вентури ( инжекционные смесители) в сочетании с винтовыми
вставками на пути дальнейшего движения смеси.
Рассматриваемый метод перемешивания применим в случае взаимной
растворимости и невысокой вязкости компонентов жидкой смеси - при
больших скоростях их движения и достаточной длине трубопровода. Он
требует, однако, больших затрат энергии при сравнительно невысокой
эффективности смешения. В расчете такого трубопровода используемые
турбулизаторы играют роль местных сопротивлений.
Эффективное перемешивание жидкостей может быть достигнуто путем
многократной
циркуляции
содержимого
аппарата
при
помощи
центробежного или струйного насоса, являющегося как бы локальным
турбулизатором.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.6. Схемы циркуляционных смесителей:
а – смеситель с циркуляционным насосом; б – смеситель с циркуляционным
насосом и эжектором; 1 –аппарат; 2 – разбрызгиватель; 3 – циркуляционный
насос; 4 - эжектор
При большой емкости аппарата и различных плотностях компонентов
жидкой смеси часто осуществляют перемешивание по схеме, показанной на
рис. 7.6.а. Здесь нижние слои жидкости, в которых до полного смешения
преобладает
содержание
более
тяжелого
компонента,
всасываются
центробежным насосом и нагнетаются на свободную поверхность уровня в
аппарате через разбрызгиватель. При этом в перемешиваемом объеме
жидкости нарастает ее циркуляция по мере увеличения производительности
насоса. Более интенсивно происходит перемешивание при сочетании
циркуляционного насоса
с
эжектором. Жидкость из аппарата сверху
всасывается центробежным насосом и нагнетается в сопло эжектора.
Вытекающий из сопла поток увлекает окружающую жидкость, смешивается
с ней, и образовавшаяся смесь выбрасывается вверх. Таким образом, внутри
объема
жидкости,
наполняющей
аппарат,
возникают
внутренние
циркуляционные токи в дополнение к внешнему циркуляционному контуру,
создаваемому насосом.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.3. РАСХОД ЭНЕРГИИ НА ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
Процесс
перемешивания
жидкости
характеризуется
сложным
распределением скоростей в ее объеме, зависящим от формы и размеров
аппарата и мешалки, скорости вращения последней, а также от физических
свойств жидкости. Невозможность точного теоретического описания этой
сложной гидродинамической обстановки затрудняет пока построение
строгого метода теоретического расчета расхода энергии на механическое
перемешивание жидкостей. В связи с этим часто пользуются упрощенным
подходом к решению рассматриваемой задачи, уподобляя вращение
вертикальной прямоугольной лопасти ее поступательному движению в
неограниченном объеме покоящейся жидкости с плотностью  ж . Сила
гидродинамического сопротивления Р Г , встречаемая такой лопастью при
скорости ее движения  , выражается законом Ньютона:
2 
Рг  с х F    ж
 2  ,
(7.3)
где с х — коэффициент лобового сопротивления лопасти, зависящий от ее
формы и режима движения, а также от физических свойств жидкости; F площадь проекции лопасти на плоскость, перпендикулярную к направлению
движения (площадь миделя). Обозначим высоту лопасти через b , а ее
полную ширину через d  2R тогда F  bd  2bR . Поскольку скорость
различна в разных точках лопасти, удаленных на расстояния x от оси
вращения, и   x , то
R
N   c x ж
0
c x  ж bR 4 3
b3dx c x  ж b R 3 3


x
dx


2000
2000 0
8000
При частоте вращения мешалки n об/сек угловая
скорость
  2 n,
R
d
и b  d , поэтому
2
(7.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
N  C n3d 5  ж ,
(7.5)
c x 3
где C 
- коэффициент мощности.
16  103
Рис. 7.7. К выводу уравнения (7.4)
При выводе формулы (7.4) было допущено, что жидкая среда неподвижна
и имеет неограниченный объем, а лопасть перемещается прямолинейно по
направлению
нормали
к
ее
поверхности.
В
действительности
же
перемешиваемый объем жидкости, ограниченный стенками аппарата,
вовлекается лопастью во вращательное движение. По этой причине
мощность на валу вращающейся мешалки в 2—3 раза меньше рассчитанной
по формуле; последняя выражает, следовательно, мощность на валу лишь в
начальный момент, т. е. пусковую мощность.
Для определения рабочей мощности мешалок пользуются значениями С,
найденными в опытах с геометрически подобными моделями на основе
теории гидродинамического подобия. При этом критерии Re и Fr
модифицируются с учетом того, что  ~ nd, т. е.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
nd 2  ж
n 2d
Re 
и Fr 

g
(7.6)
Мешалка подобно насосу, создает циркулирующий поток жидкости с
площадью живого сечения f и средней скоростью ω, преодолевая напор  ,
поэтому
N  f .
(7.7)
Так как f ~ d 2 и  ~ nd , то
N  nd 3  и
 
Пользуясь
этим
(7.8)
N
nd 3
(7.9)
 ,
значением
находим
выражение
для
модифицированного критерия Эйлера:
Eu 

N

2
 ж   ж n 3d 5
(7.10)
Сопоставляя полученное выражение с формулой N  Cn 3d 5 ж получаем:
C  Еu 
N
 ж n 3d 5
(7.11)
Таким образом, для определения рабочей мощности на валу необходимо
опытным
путем
найти
функциональную
зависимость Eu  f (Re, Fr )
Критерий Fr имеет значение лишь в тех случаях, когда перемешивание
жидкости сопровождается образованием глубокой воронки (параболическая
форма свободной поверхности уровня), что на практике не допускается.
В связи с этим результаты опытов обобщаются в форме Eu  С  f (Re, Fr ) .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.8. Зависимости С=f(Re) для радиально – лопастных мешалок:
а – мешалки с четырьмя отражательными ребрами; б – влияние отражательных ребер и их
размеров на величину C.
(а – для мешалок 1 – 2 b/d=1/5, для остальных b/d=1/8; б – (кривые 1 -4 сверху вниз) соответственно
b/d=1/16; 1/10; 1,25; 0)
Для турбинных мешалок закрытого типа величина С больше на 30%.
Наибольшее влияние на величину С (следовательно, и на расход энергии)
оказывает высота лопасти (b/d). В ламинарной области (Re  20) величина С
не зависит от конструкции мешалки, при Re > 1000 она выше у турбинных
мешалок с креплением лопастей к центральному диску); при Re > 10 5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зависимость С от Re практически вырождается, т. е. для каждой мешалки С =
const. Наиболее низкое значение С отмечается у турбинной мешалки с
наклонными (под углом 45°) лопастями, что обусловлено большим осевым
потоком жидкости. Они особенно благоприятны для высоковязких и
неньютоновских жидкостей и для перемешивания в газожидкостных средах и
в суспензиях.
Влияние отражательных ребер и их относительной ширины c/D на
величину С показано на рис. 7.8., применительно к турбинной мешалке при
d/D= 1/3 и ее расстоянии от дна аппарата Из рис. 7.8. б, где также нанесена
кривая С =f(Re) для аппарата без отражательных ребер, видно, что начиная
с Re = 103 величина С растет с увеличением ширины ребра весьма
значительно.
В
случае
перемешивания
высоковязких
жидкостей
отражательные ребра располагают на расстоянии 50—100 мм от стенки во
избежание образования застойных зон.
Приведены значения
С
 f Re  для пропеллерных и значения С = f (Re) для
Fr n
шнековых мешалок, причем n= 0,06 (к — lg Re), Величина к возрастает от 1,7
до 2,6 при увеличении относительного диаметра пропеллера d/D от 0,3 до
0,476, но к=0 при d/D = 0,222. Заметим, что учет числа Fr существен для
аппаратов без отражательных ребер, если Re > > 400.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.9 Зависимости C=f(Re) для пропеллерных и шнековых мешалок
Кривые 1—6 на рис. 7.9. относятся к трехлопастным пропеллерным
мешалкам
h1
 1 с размерами, приведенными в следующей таблице:
d
Т а б л и ц а 7.2 Характеристики трехлопастных пропеллерных мешалок
Число
Кривая
d, мм
D, мм
а/о
S, ММ
%1й
отражательных
ребер
1
2
508
152
1372
457
0,372
0,333
433
152
1,05
1,00
0
0
3
102
330
0,309
102
1,00
0
4
5
6
305
102
102
1372
330
330
0,222
0,309
0,309
300
204
204
0,98
2,00
2,00
0
0
4
Как видно из рис. 7.9., при Re < 400 геометрические размеры пропеллера и
аппарата практически не влияют на величину С, но оказывают заметное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
влияние с дальнейшим ростом Re. Во всем интервале значений Re величина
С существенно выше при наличии в аппарате отражательных ребер (кривая
6), причем она стабилизируется начиная с Re = 103. Повышение шага винта
при прочих равных условиях сопровождается дается ростом С (кривые 3и
5). Наконец, благодаря увеличению осевого потока жидкости величина С
растет с уменьшением d/D. На том же рис. 7.9. приведена зависимость
С=f(Re) для шнековой мешалки (d = 76,2 мм; D = 241 мм; b=330мм s=45,7мм)
9 и 10 относятся к
аппаратам с
четырьмя отражательными
ребрами
шириной 24,4мм, но с различными расстояниями поверхности шнека от
стенки (0; 24,1;48,2мм). Как видно из рис. 7.9., в области до Re=100 величина С
для шнековой мешалки почти в 5 раз больше, чем для пропеллерной, а с
дальнейшим ростом Re
значения С для обеих мешалок сближаются. С
увеличением расстояния винтовойповерхности от стенки аппарата С
уменьшается (кривые 8, 9, 10). Эксцентричная установка мешалки (кривая11,
эксцентриситет 3,1
мм) вызывает рост величины С, а наличие
отражательных ребер практически не оказывает влияния.
Для якорных мешалок (см. рис. 7.1.-9) базируются на величине С,
выражаемой следующей эмпирической формулой:




d d  e 
,
С
 D 

 d  8b  5e  f  d  





D
D
0,156 

причем f   = 0,72 для D d  1,3 и f    
 d    D  1 
d

  d


(7.12)
0,5
для D d  1,3
Зависимость С = f(Re) для якорных мешалок приведена на рис. 7.10.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.10.
Зависимость C=f(Re) дли якорных мешалок
Заметим, что мощность N, определяемая по формуле (5), не учитывает
потерь энергии на трение в уплотняющем сальнике (Ny), в опорных и
направляющих подшипниках (No), а также в передаточном механизме от
электродвигателя к валу мешалки (Nn). Обычно Ny =0,3N, No = 0,25N
И
.
NП = (0,85-0,9)N.
7.4. ВЫБОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ
Вследствие сложной структуры потоков в аппаратах с механическими
мешалками моделирование этих аппаратов на основе гидродинамического
пособия практически невозможно. Опыт показывает, в геометрически
подобных аппаратах эффективность перемешивания, следовательно, и
диспергирования, достигается при одинаковом удельном расходе энергии
(N/V=const). Таким образом, если в двух аппаратах с диаметрами D1 и D2,
наполненные жидкостями различных плотностей (ρ1 и ρ2) до уровней Н1 и
Н2, мешалки с диаметрами d1 и d2 имеют частоты вращения n1 и n2 cек-1, то
должно удовлетворятся равенство:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4 1n13 d15 4  2 n23 d 25

D12 H1
D12 H1
(7.13)
Так как для геометрически подобных аппаратов
 n3d 3  n3d 3
H
H
D1 D2
и 1  2 , то 1 1 1  2 2 2

D1
D2
d1 d 2
D1 D2
(7.14)
Откуда
n 1 d1   2 D1 

 
n 2 d 2  1D 2 
1
3
(7.15)
При одинаковых продуктах обработки, т.е. при
n1 d1  D1 

 
n 2 d 2  D 2 
1
=
получаем формулу
3
(7.16)
1
 D1  3
 ,
Если пренебречь, вследствие малости величиной 
 D2 
n1 d1
или n1  d1  n 2  d 2

n2 d 2
Vокр    n1  d1    n2  d 2
Как видно, приблизительное моделирование может быть достигнуто при
равенстве окружных скоростей Vокр мешалок с диаметрами d1 и d2,
Пример. Определить частоту вращения диссольверной мешалки диаметром 60мм в
лабораторной установке, если известна окружная скорость промышленной мешалки
равная 20м/с.
Из формулы Vокр    n1  d1
Откуда n 
Vокр  60
 d1
= 6369 об/мин.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО РАБОЧЕГО РЕЖИМА МЕШАЛОК
Из уравнения (7.5) следует, что для механических мешалок всех типов
при прочих равных условиях характерна сильная зависимость требуемой
мощности от скорости их вращения (N ~ n3). Однако с ростом последней
возрастает интенсивность перемешивания и, естественно, уменьшается
продолжительность процесса  . Очевидно, рациональному рабочему
режиму должно соответствовать осуществление заданного процесса
перемешивания с минимальным расходом энергии nмин .
nмин для мешалки каждого типа зависит от физических
Величина
свойств перемешиваемой среды, не поддается теоретическому расчету и
определяется по эмпирическим формулам.
При перемешивании взаимно растворимых не очень вязких жидкостей
можно принимать следующие значения nмин (в об/с):
Т а б л и ц а 7.3.Характеристики мешалок в соответствии с типом
Параметр
Тип мешалки
турбинная
турбинная
закрытая
открытая
D/d, мм 3—4
nмин
46—81,5
листовая Двухлопастная
3-4
2-1,5
3
56—99,5
26,5—
96,5
пропеллерная
Пропеллерная
с диффузором
без диффузора
3-4
3-4
1,15
96,5— 170
30
86,2— 113
якорная
20
Для перемешивания двух взаимно нерастворимых жидкостей, имеющих
близкие плотности и вязкости (в пределах 10—20%), листовыми,
якорными,
рамными,
пропеллерными
и
винтовыми
мешалками
турбулентном режиме при наличии отражательных ребер имеем:
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
D
 6,7 
d
nмин
При
перемешивании
очень
спиральными мешалками
5
3
C
1
вязких
3
(7.17)
жидкостей
двухзаходными
(0,9 < d/D <0,98, s = b/d =1) в ламинарном
 N 2 
режиме (Re < 100):  3 
Из последнего выражения видно, что  =
D


Ж  МИН
const при N/D 3 ~ N/V = const, т. е. при одинаковом расходе энергии на
единицу объема перемешиваемой жидкости (удельном расходе энергии).
Для шнековых мешалок при Re < 100: nмин
 d2 
 47 Re  
 Fm 
0 ,1
0,5
, где Fm— винтовая
поверхность шнека./ Заметим, что с ростом поверхности Fm время
перемешивания уменьшается.
Для пропеллерной мешалки при рабочем режиме, соответствующем 5-104< <
Re< 5-105:

5

nмин  10 3 9,05  7,22 D  d 1, 4 Re 0,7 ,
 d  

(7.18)
где  — окружная скорость пропеллера.
Последняя формула справедлива в пределах:
2,5<  d< 7,7; 3,2 < H/d < 7,7; b/d- 0,5.
При перемешивании жидкостей лопастными мешалками (число лопастей i) и
наличии отражательных ребер имеем:
в режимах Re < 105:
nмин
 ib 
 7,2 
d
0 , 25
1, 4
D H
   
d d
0,5
(7.19)
в режимах Re > 105:
1
nмин
2
 n 2d  6  D  3  H 
    
 7,2
g

 d d
0,5
(7.20)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 n 2d 

 7,1
g


nмин
0 , 25
  
 
 л 
0 , 25
2
 d b  H

  
D
d

 D
0 , 75
(7.21)
Для пропеллерных мешалок и взаимно нерастворимых жидкостей с
большой разностью плотностей  в режимах до Re = 105:
nмин
 n 2d 

 7,1
g


0 , 25
  
 
 л 
0 , 25
2
 d  D   H 
    
 b  d   D 
0 , 75
(7.22)
где  л — плотность легкой фазы.
При перемешивании суспензий, содержащих жидкость с плотностью  ж и
твердые частицы размером  с плотностью  т , минимальная частота
вращения мешалки
n
об/с не может быть меньше требуемой для
поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии:
для пропеллерной мешалки (d/D = 0,315)
1
 g т   ж о 1  4, 65   3 0,09
 33,3
 Re
2
d

ж


n мин
где о — скорость свободного осаждения твердой частицы;
(7.23)
—
nd 2  ж
объемная концентрация твердой фазы; Re =
;
ж
для турбинной мешалки закрытого типа (D/d= 1,5—4):
Re мин 
n мин d 2  ж
ж
   D
 4,7 Аr    
d   d 
0,5
(7.24)
для двухлопастной мешалки (D/d = 1,33—1,50):
Re мин
n мин d 2 ж


 14,8Аr  
ж
d
0,5
(7.25)
(обе последние формулы справедливы при δ ˃1мм и φ ˃ 0,15
При любых значениях
формуле:
δ и φ
дает приемлемые результаты расчет по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
n 2 мин d ж
0 , 26   
 170  1     
g
d 
0, 4
(7.26)
В случае перемешивания взаимно нерастворимых жидкостей часто
требуется тонкое диспергирование одной из них в среде другой.
Получаемый при этом средний объемно-поверхностный диаметр капель
don, как установлено опытом, является функцией критерия We  n 2 d 3c 3 ,
где  c - плотность сплошной фазы;  - межфазное поверхностное
натяжение.
В интервале Аг = gd 3оп г  о  с2с  8,9  103  3,4  1010 и
Re/We = 6,15-
1,18- 107 справедливо соотношение:
nd 2c
 Re 
Re 
 BAr 0,315 

c
 We 
0 ,135
D
 
d
m
(7.27)
Т а б л и ц а 7.4. Значения В и т для широко используемых типов мешалок
Мешалка
Турбинная
в
D/d
m
2—4
2,3
0,67
Пропеллерная
2—4
2,95
0,67
Лопастная
1,33—4
(закрытая)
1,47
1,3
Для ориентировочных расчетов предложено соотношение:
d оп
 0,047  0,0841  3,15We 0, 6
d
(7.28)
Удельную поверхность дисперсной фазы, т. е. ее поверхность
в 1 м3
получаемой эмульсин можно приближенно определить по формуле (м2/м3):
2
a
6
0,047  0,0841  3,15 5


2


 N  C 

 ,
  3
 V    4C d  
  D 3  
(7.29)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где V — объем жидкости в аппарате.
Пропеллерные мешалки применяют также для диспергирования газов в
жидких средах. Достигаемое при этом газосодержание, т.е. отношение
объема газа V r , задерживаемого объемом жидкости V K ,  г 
Vг
зависит от
VЖ
рабочих режимов мешалки (ReM) и газового потока (Rer), а также от
физических свойств обеих фаз. Здесь наблюдаются три характерные
области:
1) полное диспергирование газового потока (до Reri);
2) частичное диспергирование (or Rer( до Re ra ) ;
3) барботаж газа, не зависящий от работы мешалки (Re r3 > Re r2 ).
D
Границе первой области соответствует Re  6  10 i  
d
15 2 , 4
2 ,8
Re м2,5 .
В этой области
2 ,1
3 0 ,87
г1  2,4  10 i
d
0 , 32
0, 7
  Frr Re r ,
D
(7.30)
где i — число лопастей мешалки; Fr = n2d/g; Rep отнесен к скорости газа в
пустом аппарате.
Границе второй области соответствуют:
при D/d  2:
 4 0 , 23
Re г 2  9,43  10 i
D
 
d
0 , 28
Re м
(7.31)
при D/d  2:
3
5 0, 23
Re г 2  9,81  10 i
D
  Re м
d
(7.32)
В этой области
d
г 2  1,56  10 i  
D
3 3 , 2
2 ,17
Fr 0, 2 Re гx ,
(7.33)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где х  0,58i
0 , 43
D
 
d
0 ,15
Более благоприятными для диспергирования газа в жидких средах
являются турбинные мешалки. В данном случае мешалка вращается
практически в газообразной среде, лишь слабо перемешивая жидкость, при
Re г 2 
Fr Re м

г
d

 ж
10 H  h1  г  ж  г
До достижения граничного значения Rer2 объемное газосодержание
перемешиваемой жидкости определяется в зависимости от числа Fr для
шести лопастной мешалки по следующим формулам:
при Fr  0,6:
 Fr 
  3,96

 0,6 
0, 7
 Fr 0,5 


Re
 M
0 ,87
10 Re  ;
(7.34)
при Fr  0,6:
 Fr 

  3,96
Re
 M
1, 4
0 ,87
 Fr 
7  Fr 
где r  2  10 
 и s  2  10 

 We 
 We 
10 Re Г  ,
(7.35)
2, 4
7
При
работе
турбинных
и
пропеллерных
мешалок
вследствие
вихреобразования газ (воздух) захватывается свободной поверхностью
уровня
жидкости.
Достигаемое
при
этом
приращение
объемного
газосодержания жидкости  гп становится соизмеримым с величиной  г при
 5,6 Re 2M 

Re  exp
We


0 , 95
,
причем
0 , 044

 Re 2M 
 V 

гп    0,25 ln Re M  1,4
 ,
 N  

 We 
(7.36)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где V/N — удельный расход энергии на перемешивание жидкости.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 1.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
• Коэффициент энергоэффективности устройства:
отношение
фактической
энергоемкости
энергоемкости
технологического
устройства
к
процесса,
нормативной
соответствующего
функциональному назначению устройства;
• Нормативная энергоемкость технологического процесса:
среднее количество единиц энергии, необходимое для
единицы
соответствующего
осуществления
технологического процесса при
условии
использования в таком процессе энергосберегающих технологий.
 Фактическая энергоемкость устройства:
среднее количество единиц энергии, фактически расходуемое при реализации
функционального устройства.
• Эргосберегающие технологии:
материалы
и
технические
решения, променение которых
позволяет
использовать меньшее количество энергии, расходуемой для реализации
функционального
функциональным
назначения устройства без
назначением
ущерба предусмотренного
устройства
результату
его
использования.
 Энергоемкость производства продукции:
при производстве любого вида продукции расходуются ТЭР, и для каждого
из
видов
продукции
существует
соответствующая
энергоемкость
технологических процессов их производства. При этом энергоемкость
технологических процессов производства одних и тех же видов изделий,
выпускаемых различными предприятиями, может быть различна.
 Полезная энергия:
Энергия, теоретически необходимая (в идеализированных условиях) для
осуществления
заданных
операций,
выполнении работы и оказания услуг.
технологических
процессов
или
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Примеры определения термина:
а) в освещении — по световому потоку ламп;
б) в силовых процессах:
- для двигательных процессов — по рабочему моменту на валу двигателя;
- для процессов прямого воздействия — по расходу энергии, необходимому в
соответствии с теоретическим расчетом для заданных условий;
в) в электрохимических и электрофизических процессах — по расходу
энергии, необходимому в соответствии с теоретическим расчетом — для
заданных условий;
г) в термических процессах — по теоретическому расходу энергии на
нагрев, плавку, испарение материала и проведение эндотермических
реакций;
д)
в
отоплении,
вентиляции,
кондиционировании,
горячем
водоснабжении, холодоснабжении — по количеству тепла, полученному
пользователями;
е)
в системах преобразования, хранения, транспортирования
топливно-энергетических
ресурсов
—
по
количеству
ресурсов,
получаемых из этих систем.

Энергоустановка:
Комплекс
взаимосвязанного
оборудования
и
сооружений,
предназначенных для производства или преобразования, передачи,
накопления, распределения или потребления энергии (ГОСТ 19431).
 Рациональное использование ТЭР :
Использование топливно-энергетических ресурсов, обеспечивающее
достижение максимальной при существующем уровне развития техники и
технологии эффективности, с учетом ограниченности их запасов и
соблюдения требований снижения техногенноговоздействия на окружающую
среду и других требований общества (ГОСТ 30166).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 Экономия ТЭР:
Сравнительное в сопоставлении с базовым, эталонным значением
сокращение потребления ТЭР на производство продукции, выполнение
работ и оказание услуг установленного качества без нарушения
экологических и других ограничений в соответствии с требованиями
общества.

Непроизводительный расход ТЭР:
Потребление ТЭР, обусловленное несоблюдением или нарушением
требований,
установленных
государственными
стандартами,
иными
нормативными актами, нормативными и методическими документами.

Новый
Энергосберегающая технология:
или
усовершенствованный
характеризующийся
более
высоким
технологический
коэффициентом
процесс,
полезного
использования ТЭР.

Показатель энергетической эффективности:
Абсолютная, удельная или относительная величина потребления или
потерь энергетических ресурсов для продукции любого назначения или
технологического процесса.

Коэффициент полезного использования энергии:
Отношение
всей
полезно
используемой
в
хозяйстве
(на
установленном участке, энергоустановке и т.п.) энергии к суммарному
количеству израсходованной энергии в пересчете ее на первичную.

Коэффициент полезного действия:
Величина, характеризующая совершенство процессов превращения,
преобразования или передачи энергии, являющаяся отношением полезной
энергии к подведенной.

Потеря энергии: Разность между количеством подведенной
(первичной) и потребляемой (полезной) энергии.

Полная энергоемкость продукции:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Величина расхода энергии и (или) топлива на изготовление
родукции, включая расход на добычу, транспортирование, переработку
полезных ископаемых и производство сырья, материалов, деталей с
учетом коэффициента использования сырья и материалов.

Энергоемкость производства продукции:
Величина потребления энергии и (или) топлива на основные и
вспомогательные технологические процессы изготовления продукции,
выполнение работ,
оказание услуг на базе заданной технологической системы.

Показатель экономичности энергопотребления изделия:
• Количественная характеристика эксплуатационных свойств изделия,
отражающих
его
техническое
совершенство,
определяемое
совершенством конструкции и качеством изготовления, уровнем или
степенью потребления им энергии и (или) топлива при использовании
этого изделия по прямому функциональному назначению.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 2.
ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ТЕПЛОВЫХ И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Критерий
Символ, формула и наименование
величин
I. Критерии гидромеханического подобия
1. Критерий режима
В прямых гладких трубах
движения (число Рейнольдса)
wl   wl
Re =
= Pe/Pr; Reкр =



2320. При Re < 2320 — ламинарный
режим, при Re > 10000 — устойчивый
турбулентный
w – скорость потока, м/с; l –
определяющий размер, м; ρ –
плотность жидкости, кг/м3;
µ - динамическая вязкость жидкости,
Па·с;
ν – кинематическая вязкость
жидкости, м2/с.
2. Критерий гидравлического
Fr = w2 / (g l) = Re2 / Ga
подобия (число Фруда)
3. Критерий подобия полей
давления (число Эйлера)
Eu ≡ ∆p / (ρ ω2),
где ∆p — перепад давления, Па
4. Критерий подобия полей
Ga = g l3 / ν2 = Re2 / Fr,
свободного движения
где g — ускорение силы тяжести
(число Галилея)
5. Критерий свободной
gl 3 1   2


Ar
=
= Ga ·
,
2
конвекции (число Архимеда)



1
где ρ1 и ρ1 — плотности жидкости в
двух точках потока, кг/м3
6. Безразмерный
коэффициент теплоотдачи
(критерий Нуссельта)
II. Критерии теплового подобия
 l
Nu =
,

где α — коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2·К); λ — коэффициент
теплопроводности, Вт/ (м · К); l —
характерный линейный размер
системы, м
Основной
физический смысл
Характеризует режим
движения жидкости; мера
отношения сил инерции и
молекулярного трения в
потоке
Мера отношения сил
инерции и тяжести в
потоке
Мера отношения сил
давления и инерции в
потоке. Безразмерная
потеря напора жидкостей
в трубах
Мера отношения сил
молекулярного трения и
тяжести в потоке
Характеризует
взаимодействие
архимедовой силы,
возникающей при
разности плотности среды
и силы вязкого трения
Характеризует связь
между интенсивностью
теплоотдачи и
температурным полем в
пограничном слое потока
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Критерий подобия
Pr = ν / а = ηс / λ = Pe / Re ,
температурных и скоростных где ν — кинематическая вязкость,
полей в потоке
м2/с; а — температуропроводность,
(число Прандтля)

м2/с;
ν = μ / ρ; а =
,
c
где μ — динамическая вязкость,
кг / (с · м) = (Н · с) / м2 = Па с;
с — удельная теплоемкость,
Дж/(кг·К)
8. Критерий теплового
Ре = w l / a = Re Pr
подобия (число Пекле)
9. Критерий тепловой
Fo = a τ / l2,
гомохронности (число Фурье где τ — время, с; регулярный режим
тепловое)
наступает при Fo > 0,30 — для
пластины; Fo > 0,25 — для цилиндра;
Fo > 0,25 — для шара
10. Критерий краевого
подобия (критерий Био —
тепловой)
Bi = а lс / λст,
где lс — характерный линейный
размер тела, м; λст — коэффициент
теплопроводности твердого тела
Вт/(м2 · К). При Вi < 0,1 преобладает
внешнее сопротивление, при Bi > 100
— внутреннее
11. Критерий свободной
тепловой конвекции (число
Грасгофа)
Gr = (g l3 / ν2) β θc
где β — коэффициент объемного
расширения жидкости, 1/К; θc —
разность между температурами
твердой стенки и потока на удалении
от стенки, К
Ku = r / (c ∆t) = r / ∆i, где r — теплота
фазового превращения (испарения
или конценсации)
12. Тепловой критерий
фазового превращения
(критерий Кутателадзе)
Характеризует
физические свойства
жидкости (безразмерная
величина)
Мера отношения
молекулярного и
конвективного переносов
тепла в потоке
Характеризует связь
между скоростью
изменения
температурного поля,
физическими свойствами
и размерами тела
Мера отношения
внутреннего и внешнего
термических
сопротивлений;
характеризует связь
между полем температур
в твердом теле и
условиями теплопередачи
на его поверхности
Мера отношения сил
молекулярного трения и
подъемной силы при
различии плотностей в
отдельных точках
неизотермического потока
Мера отношения теплоты
фазового превращения к
теплоте перегрева или
переохлаждения одной из
фаз по отношению к
температуре насыщения
Критерии диффузионного подобия
13. Безразмерный
коэффициент массоотдачи
(массообменный критерий
Нуссельта, критерий
Шервуда)
Nu   l / D ,
Характеризует связь
где β – коэффициент массоотдачи, между интенсивностью
м/с; D – коэффициент диффузии, м2/с. массоотдачи и
концентрационным полем
в пограничном слое
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. Критерий подобия
скоростных и
концентрационных полей в
потоке (диффузионное число
Прандтля)
15.Критерий
диффузионной
гомохронности
(диффузионное
Фурье)
Pr'  v / D  Re' / Re
D 
,
l2
где D – коэффициент диффузии, м2/с;
τ – время, с;
l – определяющий геометрический
размер, м
Bi '   lc / Dc
,
F0 
число
16. Критерий краевого
подобия (диффузионный
критерий Био)
17. Критерий диффузионного
подобия
(массообменное
число Пекле)
Характеризует связь
между скоростью
изменения поля
концентрации,
физическими свойствами,
размерами тела
Характеризует изменение
во времени скорость
переноса вещества при
нестационарной
массоотдаче
Мера отношения
где Dc – коэффициент диффузии в внутреннего и внешнего
квазитвёрдом теле, м2/с
диффузионных
сопротивлений
Pe' 
wl
 Re Pr' ,
D
где Pr’ – число Прандтля
(диффузионное)
Мера отношения
молекулярного и
конвективного переносов
диффундирующего
вещества в потоке
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 3.
ПРАВИЛА ПОЛЬЗОВАНИЯ i-d ДИАГРАММОЙ
I-d-диаграмма, другое название — диаграмма состояний влажного
воздуха, используется при расчете параметров воздухообмена в помещении,
определения параметров микроклимата в теплицах, в расчетах процессов
сушки. Диаграмма позволяет определить все параметры влажного воздуха по
двум
известным
параметрам,
избегая
многочисленных
вычислений.
Диаграмма была разработана русским ученым, профессором Л.К.Рамзиным в
1918 г. I-d-диаграмма представляет из себя рабочее поле в косоугольной
системе координат I-d, на котором нанесено несколько координатных сеток и
по
периметру
диаграммы
—
вспомогательные
шкалы.
Шкала
влагосодержаний обычно располагается по нижней кромке диаграммы, при
этом линии постоянных влагосодержаний представляют вертикальные
прямые. Линии постоянных энтальпий представляют параллельные прямые,
обычно идущие под углом 135° к вертикальным линиям влагосодержаний.
Косоугольная система координат выбрана для того, чтобы увеличить рабочее
поле диаграммы. В такой системе координат линии постоянных температур
представляют из себя прямые линии, идущие под небольшим наклоном к
горизонтали и слегка расходящиеся веером. Рабочее поле диаграммы
ограничено кривыми линиями равных относительных влажностей 0% и
100%,
между
которыми
нанесены
линии
других
значений
равных
относительных влажностей с шагом 10%. Шкала температур обычно
располагается по левой кромке рабочего поля диаграммы. Значения
энтальпий воздуха нанесены обычно под кривой φ =100. Значения
парциальных давлений иногда наносят по верхней кромке рабочего поля,
иногда по нижней кромке под шкалой влагосодержаний, иногда по правой
кромке.
В
последнем
случае
на
диаграмме
вспомогательную кривую парциальных давлений.
добавочно
строят
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При определении параметров влажного воздуха на i-d-диаграмме, точка на
диаграмме отражает состояние воздуха, а линия — процесс изменения
состояния.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 4.
Р 50.1.026-2000
УДК 621.311:006.354
Т51
Группа
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ
Энергосбережение
МЕТОДЫ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Общие требования
Energy conservation.
Methods for assurance of energy efficiency indicators of products.
General requirements
ОКС 19.020
ОКСТУ 0011
Дата введения 2000-07-01
Предисловие
1
РАЗРАБОТАНЫ
Всероссийским
научно-исследовательским
институтом
стандартизации и сертификации в машиностроении (ВНИИНМАШ) Госстандарта России
ВНЕСЕНЫ Госстандартом России
2 ПРИНЯТЫ И ВВЕДЕНЫ В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Госстандарта России от 28
декабря 2000 г. № 428-ст
3 ВВЕДЕНЫ ВПЕРВЫЕ
1 Область применения
Настоящие рекомендации устанавливают общие требования к методам подтверждения
показателей энергетической эффективности энергопотребляющей продукции (изделий).
Рекомендации распространяются на технические объекты (машины, оборудование,
приборы) с учетом различных стадий их жизненного цикла.
2 Нормативные ссылки
В настоящих рекомендациях использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и
контроль качества продукции. Основные термины и определения
ГОСТ Р 51380-99 Энергосбережение. Методы подтверждения соответствия показателей
энергетической эффективности энергопотребляющей продукции их нормативным
значениям. Общие требования
ГОСТ Р 51387-99 Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение.
Основные положения
ГОСТ Р 51541-99 Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав
показателей. Общие положения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РМГ 29-99 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология.
Основные термины и определения
3 Определения
Термины, применяемые в настоящих рекомендациях, и их определения - по РМГ 29,
ГОСТ 16504, ГОСТ Р 51380, ГОСТ Р 51387 и ГОСТ Р 51541.
4 Общие положения
4.1 Подтверждение показателей энергетической эффективности проводят на различных
стадиях жизненного цикла продукции и включает в себя, в общем случае, операции по
определению потребления (потерь) энергии при разработке и изготовлении изделий; по
контролю
экономичности
энергопотребления
изготовляемых,
изготовленных,
модернизированных и отремонтированных изделий; по оценке экономичности
энергопотребления изделий при эксплуатации; проверке соответствия показателей
энергетической эффективности нормативным требованиям независимыми организациями,
в том числе при сертификации.
4.2 Объектами подтверждения показателей энергетической эффективности являются
все изделия, при использовании которых по назначению применяется топливо или
различного вида энергия.
4.3 Требования по экономичности энергопотребления регламентируются показателями
энергоэффективности потребления или энергетическими параметрами изделия,
непосредственно или косвенно характеризующими величину энергопотребления при
эксплуатации изделий, их изготовлении, модернизации, ремонте и утилизации.
4.4 Для характеристики экономичности энергопотребления используют абсолютные,
относительные, удельные и сравнительные показатели.
Абсолютные показатели энергоэффективности характеризуют затраты физических
единиц топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в установленных режимах
функционирования изделий.
Удельные показатели энергоэффективности характеризуют отношение затрат ТЭР на
выполнение работы (производство продукции) к единице производительности или к
объему произведенной продукции (выполненной работы) в установленных режимах
функционирования изделия.
Относительные показатели энергоэффективности характеризуют отношение полезно
использованного топлива (энергии) к общему количеству использованного топлива
(энергии).
4.5 Для подтверждения энергоэффективности в зависимости от стадии жизненного
цикла изделия применяют следующие методы:
- расчет показателей энергоэффективности;
- оценку энергоэффективности по экспериментальным данным;
- сравнительную альтернативную оценку энергоэффективности рассматриваемого
изделия и изделия-аналога или априорных данных;
- определение параметров и характеристик изделия, достаточно полно
характеризующих энергоэффективность с заданной точностью.
4.6 Подтверждение энергоэффективности на стадиях научно-исследовательских работ,
технического предложения, опытно-конструкторских работ проводят с целью:
- определения возможности обеспечения требуемых значений показателей
энергоэффективности при выбранном варианте конструкторского и (или) технического
решения, условий эксплуатации и установленных ограничений на массу, размеры и
стоимость изделий;
- обоснования оптимального (в части энергоэффективности) варианта конструкторского
и (или) технического исполнения изделия выбранного варианта комплектации;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- установления требований к достоверности подтверждения энергоэффективности;
- установления требований к энергоэффективности взаимосвязанных составных частей
изделия и определения возможности применения серийно выпускаемых составных частей;
- определения задач снижения энергопотребления изделия.
4.7 Подтверждение энергоэффективности на стадии изготовления проводят с целью
оценки соответствия характеристик и показателей экономичности энергопотребления
установленным требованиям согласно документации на методы испытаний
рассматриваемого изделия или по результатам контроля технологических факторов,
влияющих на энергоэффективность изделия в целом или его составных частей.
4.8 Подтверждение соответствия показателей энергетической эффективности
(экономичности)
вновь
изготовленной
и
находящейся
в
эксплуатации
энергопотребляющей продукции (изделий) по ГОСТ Р 51380.
4.9 В процессе эксплуатации продукции подтверждение энергоэффективности проводит
эксплуатирующая организация (потребитель) либо уполномоченная независимая
организация.
4.10 Изготовитель проводит подтверждение энергоэффективности в эксплуатации
совместно с эксплуатирующей организацией.
4.11 Подтверждение энергоэффективности в эксплуатации проводят по согласованной с
изготовителем нормативной документации.
4.12 Подтверждение энергоэффективности при эксплуатации изготовителем должно
проводиться в рамках авторского надзора за производимыми изделиями с целью
подтверждения соответствия фактических характеристик энергоэффективности
требованиям и нормам, заложенным в нормативной или технической документации.
4.13 Подтверждение энергоэффективности третьей стороной (независимой
организацией) проводят методами, установленными в нормативной документации, или
путем анализа данных по подтверждению энергоэффективности, предъявляемых
изготовителем.
5 Расчетные, экспериментальные и расчетно-экспериментальные методы подтверждения
показателей энергетической эффективности
5.1 Расчетные методы следует применять в основном на стадии проектирования для
решения задач, определенных в 4.6.
5.2 Расчетные методы должны быть основаны на данных о нормативах
энергоэффективности, энергоэффективности взаимосвязанных составных частей изделия,
режимах и условиях функционирования изделия; на данных об энергоэффективности
изделий-аналогов; результатах предыдущих испытаний и другой информации, имеющейся
к моменту проведения работ.
5.3 В результатах расчета энергоэффективности должны быть указаны:
- принятая методика расчета и ее обоснование;
- расчетные и заданные характеристики энергоэффективности;
- выводы о принципиальной возможности достижения требуемого уровня
энергоэффективности для принятого варианта конструкторского решения;
- выводы о возможности перехода к следующему этапу разработки;
- задачи отработки изделия на экономное энергопотребление на следующем этапе
разработки.
5.4 Показатели энергоэффективности изделия и (или) их составных частей,
расходующих топливно-энергетические ресурсы различного вида, следует рассчитывать
по каждому виду ТЭР.
5.5 Результаты расчетов оформляют в виде самостоятельного документа или разделов
пояснительных записок к техническому предложению (аванпроекту), эскизному и
техническому проектам изделий.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.6 Экспериментальные методы подтверждения энергоэффективности должны быть
основаны на использовании данных, получаемых при испытании изделий, или данных
опытной или подконтрольной эксплуатации.
5.7 Подтверждение энергоэффективности допускается проводить:
- путем организации и проведения специальных испытаний;
- в рамках планируемых и проводимых испытаний по подтверждению других
показателей качества изделия.
5.8 Подтверждение энергоэффективности опытных образцов изделий проводят в
составе предварительных и (или) приемочных испытаний ГОСТ 16504.
5.9 На этапе постановки изделий на производство проводят контрольные испытания на
энергоэффективность установочной серии изделий или первой промышленной партии.
5.10 Подтверждение энергоэффективности серийных изделий проводят в составе
одного из видов испытаний: приемо-сдаточных, периодических, типовых или
сертификационных ГОСТ 16504.
5.11 Подтверждение энергоэффективности проводят по методам, содержащимся в
стандартах и технических условиях, или по отдельным методикам, утвержденным в
установленном порядке.
5.12 Техническое состояние изделия, представляемого на испытания по подтверждению
энергоэффективности, должно соответствовать требованиям нормативно-технической
документации.
5.13 Изделие, представляемое на испытания, должно быть проверено в соответствии с
требованиями конструкторской и эксплуатационной документации, требованиями
стандартов безопасности труда, а также требованиями стандартов и других документов по
охране природы.
5.14 Приводы и преобразователи энергии, применяемые в изделии, должны
соответствовать требованиям нормативно-технической документации на изделие
испытываемого типа.
5.15 Топливные материалы, специальные жидкости, другие энергоносители, а также
смазочные материалы, используемые при испытаниях на энергоэффективность, должны
иметь паспорт или сертификат.
5.16 Условия проведения испытаний по подтверждению энергоэффективности в
лаборатории (на стенде) должны быть максимально приближены к условиям эксплуатации
при допущении их имитации и согласованы с основным потребителем.
5.17 В случае невозможности имитации всех условий эксплуатации в лаборатории (на
стенде) испытания следует проводить в реальных условиях эксплуатации.
5.18 Изделия, предназначенные для потребления топливно-энергетических ресурсов
различных видов, следует испытывать на ТЭР всех видов, для которых они
предназначены. При отсутствии отдельных видов ТЭР допускается проводить испытания
на них в условиях эксплуатации.
5.19 Перечень средств измерений, испытательного оборудования и материалов,
необходимых для проведения испытаний по энергоэффективности, приводят в программе
и методике испытаний РМГ 29.
5.20 Технические характеристики средств измерений (диапазон измерений, класс
точности и т.п.), необходимые для обеспечения проведения испытаний с требуемой
точностью, должны быть установлены в программе и методике испытаний.
5.21 Средства измерений и оборудование для испытаний должны иметь паспорт
(клеймо) государственной или ведомственной поверки.
5.22 Средства измерений и оборудование для испытаний должны использоваться с
соблюдением требований инструкций по их эксплуатации.
5.23 Измерения показателей энергоэффективности следует проводить в условиях,
входящих в границы, установленные нормативно-технической документацией на
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
испытываемое изделие. В случае невозможности проверки в указанных условиях
показатели энергосбережения приводятся к ним.
5.24 Все результаты испытаний и данные измерений вносят в протокол испытаний.
5.25 Обработку результатов испытаний и оформление протокола следует выполнять
непосредственно после завершения испытаний.
5.26 Расчетно-экспериментальные методы должны быть основаны на вычислении
показателей
энергоэффективности
по
исходным
данным,
определяемым
экспериментальными методами.
5.27 Исходными данными для использования расчетно-экспериментального метода
являются:
- информация по энергоэффективности изделий, полученная в ходе предшествующих
испытаний или эксплуатации;
- эксплуатационные данные об энергоэффективности составных частей изделия,
оказывающем влияние на энергоэффективность изделия в целом;
- экспериментальные данные о характеристиках случайного процесса нагружения
энергетических средств изделия и связанного с ним потребления энергии.
5.28 Расчетно-экспериментальные методы подтверждения энергоэффективности
следует применять также во всех случаях, когда это позволяет существенно сократить
объем испытаний и их сроки.
5.29 В качестве дополнительной информации при подтверждении энергоэффективности
должна использоваться информация, накапливаемая в процессе разработки, производства,
испытаний и эксплуатации изделий.
5.30 Для сравнения и оценки уровня изделия в протоколе испытаний (периодических,
типовых и сертификационных) приводят данные лучших мировых или отечественных
образцов при аналогичных условиях.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЕ А
(справочное)
Т а б л и ц а А.1 Показатели энергоэффективности изделий
Вид
Назначение Наименование
Показатель
Обозна- Размернос
процесса
изделия
изделия
энергоэффективн чение
ть
ости
1
1.1
Котлы паровые КПД брутто при
%

Потреблен Производст стационарные, номинальной
ие топлива во энергии отопительные
производительно
водогрейные и сти
т.п.
Дизельные
Удельный расход
g
г/(кВтч)
двигатели
топлива,
(судовые,
среднеэксплуатац
тепловозные,
ионный
расход
промышленные) топлива
q
Топки
Потери тепла от
%
механические
химического
стационарных
недожога
котлов
1.2
Тракторы
Удельный расход gкр
г/(кВт·ч)
Выполнени сельскотоплива
при
е работы
хозяйственные наибольшей
тяговой
мощности
Автогрейдеры
Удельный расход
gг
кг/м3
топлива
при
вырезании
кювета
Скреперы
Часовой расход
Gч
кг
топлива
Бульдозеры
Часовой расход
Gч
кг
топлива
при
траншейной
разработке
грунта
Мотопомпы
Удельный расход
g
г/м3
пожарные
топлива
Тракторы
Удельный расход
г/(кВт·ч)
g
промышленные топлива
при
и
эксплуатационно
лесопромышлен й
мощности
ные
двигателя
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. А.1
Погрузчики
строительные
одноковшовые
фронтальные
колесные
Автомобили
легковые
Средний часовой
расход топлива
Gч
кг
Обобщенный
приведенный
расход топлива
Автомобили
Удельный
грузовые
контрольный
расход топлива
при скорости 60
км/ч
Электроагрегаты Удельный расход
и передвижные топлива
электростанции
с
двигателями
внутреннего
сгорания
1.3
Печи ванные для Удельный расход
Производст изготовления
энергии
во
тянутого стекла,
продукции работающие на
природном газе
Печи
ванные Удельный расход
регенеративные тепловой энергии
для
варки
тарного стекла
Печи для обжига Удельный расход
керамических
тепловой энергии
плиток
1.4
Экономайзеры Изменение
Достижени
коэффициента
е полезного
избытка воздуха
эффекта
при номинальной
нагрузке
Горелки
и Минимальный
форсунки
коэффициент
стационарных
избытка воздуха
водогрейных
при номинальной
котлов
тепловой
мощности
Изменение
минимального
коэффициента
избытка воздуха
в
диапазоне
регулирования
тепловой
мощности
Gs
дм3/100
км
gуд
л/(100
км·т)
gт
г/(кВт·ч)
е
МДж/м3
qt
МДж/кг
qt
МДж/кг

-

-

-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. А.1
2
2.1
Гидроприводы
Потреблен Преобразо- объемные
ие
энергии
вание
Пневмодвигател
энергии в и
другие
виды
Машины
электрические
вращающиеся,
турбогенераторы
Машины
компрессорные
центробежные
(ЦКМ)
Поршневые
компрессорные
машины
Турбины
паровые
стационарные
Установки
газотурбинные
Общий КПД

%
Удельный расход
воздуха
qуд
м3·мин1
·кВт-1
КПД

%
Для
неохлаждаемых
ЦКМ
политропный
КПД;
для
охлаждаемых
ЦКМ
изотермный КПД
Коэффициент
подачи
Электрический
КПД
Удельный расход
теплоты брутто
пол
из
%
%
Удельный расход
пара
КПД ГТУ

эл
%
qт
кДж/(кВт·
ч)
qп
кг/(кВт·ч)

%
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. А.1
2.2
Конвейеры
Удельный расход
Выполнени
электроэнергии
е
работы
Краны
Удельный расход
грузоподъемные электроэнергии
Насосы буровые КПД
Установки для Удельный расход
колонкового
электроэнергии
геологоразведоч
ного бурения
Станки металло- Удельный расход
обрабатывающие электроэнергии
еп
кВт·ч/(т·м
)
еп
кВт·ч/цик
л
%
кВт·ч/м

еуд
еу
кВт·ч/ед.
производи
тельности
%
Оборудование
насосное
Линии
автоматические
механической
обработки,
станки
агрегатные
Экскаваторы
одноковшовые
Оборудование
деревообрабатыв
ающее
КПД

Удельный расход
энергии
еу
кВт·ч/ед.
производи
тельности
Удельный расход
электроэнергии
Удельный расход
электроэнергии
еу.э
Кузнечнопрессовое
оборудование
Удельный расход
энергии
еэ
Машины
тягодутьевые
Эскалаторы
Максимальный
КПД
Удельный расход
электроэнергии

кВт·ч/(м3·
м)
кВт·ч/ед.
производи
тельности
кВт·ч/ед.
производи
тельности
%
Роботы
Потребляемая
промышленные мощность
Линии
Удельный расход
автоматические энергии
роторные
и
роторноконвейерные
еу
еп
Р
еуд
кВт·ч /
(чел.-ч1
·м)
Вт
кВт·ч/ед.
производи
тельности
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. А.1
2.3
Оборудование
Удельная
Производст электросварочно потребляемая
во
е
мощность
продукции
Оборудование
Удельная
электротермичес мощность
кое:
- электропечи и
установки
индукционные
нагревательные;
установки
и
устройства
индукционные
нагревательные;
электропечи
руднотермические
- электропечи и Удельная
агрегаты
мощность
электропечные
индукционные
плавильные;
электропечи
дуговые
плавильные
электропечи Удельная
дуговые
мощность
плавильные
вакуумные;
электропечи
и
устройства
электрошлаковог
о переплава
Конвертеры
Удельное
потребление
электроэнергии
2.4
Электрообогрева Удельная
Достижени -тели трубчатые поверхностная
е полезного
мощность
эффекта
Ультрацентрифу Удельная
ги и роторы потребляемая
препаративные мощность
в
установившемся
режиме
Кинескопы
Удельная
цветного
и потребляемая
черно-белого
мощность
изображения
Руд
кВ·А/
основной
параметр
Руд
кВ·А/(кВт
·ч)
Руд
кВ·А/т
Руд
кВ·А/т
еуд
кВт·ч/т
Р
Вт/см2
Ру
кВ·А/мин
Ру
Вт/кд·м2
·ч)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. А.1
3 Передача 3.1
и распре- Оборудова
деление
ние
энергосист
ем
энергии
или
локальных
систем
энергоснаб
жения
Преобразователи КПД
электроэнергии
полупроводнико
вые
Конденсаторы Тангенс
угла
силовые,
потерь
установки
конденсаторные
Термопреобразо- Потребляемая
ватели
мощность
сопротивления.
Преобразователи
термоэлектричес
кие. Пирометры
Трансформаторы КПД
силовые
Преобразователи Потребляемая
,
усилители, мощность
стабилизаторы и
трансформаторы
измерительные
аналоговые
Оборудование
Недогрев
теплообменное нагреваемой
ТЭС
среды КПД
Трубопроводы Удельные
для
передачи тепловые потери
теплоносителя
3.2
Теплообме
н-ное
оборудован
ие,
трубопрово
ды
для
передачи
энергоноси
теля
3.3
Редукторы,
КПД
Передаточн моторредукторы,
ые
вариаторы
механизмы

%
tg
Р
Вт

%
Р
В·А(Вт)
tн

°С
%
qпот
Вт/м

%
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(справочное)
Таблица Б.1 Методы измерений основных показателей энергоэффективности
изделий
Показатель
Метод
измерения
Расход
Объемный
топлива Gт, метод
кг/ч
Массовый
метод
Расход
Прямое
топлива gт, измерение
дм3/с
Объемный
метод
Расход
Объемный
топлива gт, метод
г/с
Измеряемый
Расчетная
параметр
формула
Объем
Gт = 3,6Vт/t
израсходованного
топлива V, см3
Плотность топлива
т, г/см3
Продолжительность
измерения t, с
Масса
топлива, Gt = 3,6G/t
израсходованного
за время замера, G,
г
Продолжительность
измерения t, с
Расход топлива
-
Применяемы
й прибор
Мерная
емкость
Объем
израсходованного
топлива Vт, дм3
Продолжительность
измерения t, с
Объем
израсходованного
топлива Vт, см3
Плотность топлива
т, г/см3
Продолжительность
измерения t, с
Мерная
емкость
gт = Vт/t
Пикнометр
(ареометр)
Секундомер
Весы
Секундомер
Топливный
расходомер
Секундомер
gт = V'тт/t
Мерная
емкость
Пикнометр
(ареометр)
Секундомер
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. Б.1
Потребляем Прямое
ая
измерение
электричес
кая энергия
постоянног Косвенный
о
и метод
переменног
о
тока
W,
Вт·с
(кВт·ч)
Потребляем Прямое
ая
измерение
электричес
кая
мощность в
цепи
постоянног Косвенный
о тока P, Вт метод
(кВт)
Потребляемая
электрическая
энергия
Мощность
потребления P, Вт
Счетчик
активной
электроэнерг
ии
Ваттметр
W = P/t
W = UIt
Продолжительность
измерения t, с (ч)
Секундомер
(часы)
Напряжение сети U,
В
Потребляемый ток
I, А
Продолжительность
измерения t, с
Изменение
электрической
мощности в цепи
постоянного тока
Вольтметр
Напряжение сети U,
В
Потребляемый
I, А
Потребляем Прямое
ая
измерение
электричес
кая
мощность в
цепи
переменног
о
тока P, Вт Косвенный
(кВт)
метод
-
Секундомер
(часы)
Ваттметр
постоянного
тока
-
P = UI
P = I2R =
2
U
R
ток
Активное
электрическое
сопротивление
R,
Ом
Измерение
электрической
мощности в цепи
переменного тока
Напряжение сети U,
В
Потребляемый
I, А
Амперметр
ток
Фазовый
сдвиг
между напряжением
и током 
-
P = UI  cos 
Вольтметр
постоянного
тока
Амперметр
постоянного
тока
Омметр,
мегаомметр,
измерительн
ый мост
Ваттметр
переменного
тока
Вольтметр
переменного
тока
Амперметр
переменного
тока
Фазометр
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. Б.1
Потребляем Прямое
Измерение
ая
измерение с электрической
электричес применением энергии Wсч и (или)
кая энергия измерительны мощности PW с
и
(или) х
учетом
мощность в трансформато коэффициентов
сети
ров
трансформации:
высоковоль
- трансформатора
ттока KI;
ного
переменног
о тока W,
Вт·с
(кВт·ч); P,
Вт (кВт)
- трансформатора
напряжения KU
Потребляем Прямое
Измерение
ая
измерение с электрической
электричес применением энергии Wсч и (или)
кая энергия измерительно мощности PW с
и
(или) го
учетом
мощность в трансформато коэффициента
сети
ра тока
трансформации
низковольттрансформатора
ного
тока KI
переменног
о тока с
током
больше
допустимог
о
тока
счетчика и
(или)
ваттметра
W,
Вт·с
(кВт·ч); P,
Вт (кВт)
Wр = WсчKIKU
P = PWKIKU
Счетчик
электрическо
й
энергии;
ваттметр
переменного
тока
Измерительн
ые
трансформаторы тока и
напряжения
W = WсчKI
P = PWKI
Счетчик
электрическо
й
энергии;
ваттметр
переменного
тока
Измерительн
ый
трансформат
ор
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл. Б.1
Расход
Прямое
гидравличе измерение
с-кой
жидкости
Q, дм3/мин Объемный
метод
Весовой
метод
Расход
гидравлической
жидкости
Объем жидкости V,
дм3
-
Тахометриче
с-кий
расходомер
Q = 60V/t
Мерная
емкость
Счетчик
жидкости
Секундомер
Продолжительность
замера t, с
Рабочий
объем Q = Vo  n  103
тарированного
гидромотора Vo, см3
Частота вращения
Счетчики,
тарированного
электронные
-1
гидромотора n, с
частотомеры
Ключевые слова: энергетическая эффективность; расчетные, экспериментальные,
расчетно-экспериментальные методы подтверждения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Промтов
М.А.Машины
воздействиями
на
и
аппараты
обрабатываемые
с
импульсными
вещества:
Учебное
энергетическими
пособие.
–
М.:
«Издательство Машиностроение-1», 2004. – 136 с.
2. Бутков В.В., Вишняков В.В. Процессы и аппараты химической технологии с
использованием электрических полей. – М.: НИИТЭХИМ, 1982. – 48 с.
3. Грановский М.Г., Лавров И.С., Смирнов О.В. Электрообработка жидкостей. – Л.:
Химия, 1976.– 216 с.
4. Мирдель Г. Электрофизика. – М.: Мир, 1972. – 608 с.
5. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных
систем. – Киев: Наукова думка, 1975. – 246 с.
6. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности.
– Л.: Машиностроение, 1986. – 253 с.
7. Сокольский Ю.М. Ультразвуковые и магнитные поля в химической технологии.–
Л.: ЛенНИИгипрохим, 1992. – 196 с.
8. Классен В.И. Омагничивание водных систем. – М.: Химия, 1982. – 296 с.
9. Применение метода магнитной обработки для интенсификации технологических
процессов / Н.А. Розно, В.Г. Зерницкий, Я.И. Мисулович и др. – М.: НИИТЭХИМ,
1987. – Вып. 4. – 44 с.
10. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической
технологии. – М.: Химия, 1990. – 208 с.
11. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических
процессах. – М.: Химия, 1983. – 192 с.
12. Основы физики и техники ультразвука: Учеб. пособие для вузов / Б.А. Агранат,
М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский и др. – М.: Высш. шк., 1987. – 352 с.
13. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия,
1995. – Ч. 1. – 400 с.
14. Бобков С.П. Некоторые теоретические аспекты механической активации физикохимических процессов // Изв. вузов. Химия и хим. технол. – 1992. – Т. 35, № 3. – С.
3 – 14.
15. Гольдин В.А., Чистов Е.Д. Установки и аппараты радиационной технологии. – М.:
Энергоатоимздат, 1985. – 185 с.
16. Брегер А.Х Радиационно-химическая технология. Ее задачи и методы. – М.:
Атомиздат, 1979. – 80 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17. Физические эффекты в машиностроении: Справочник / Под ред. В.А. Лукъянца. –
М.: Машиностроение, 1993. – 224 с.
18. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. –
М.: Пищевая промышленность, 1974. – 584 с.
19. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика. – М.:
Машиностроение, 2001. – 260 с.
20. Новиков В.С. Импульсные процессы переноса в гетерогенных системах: Обзор //
Пром. теплотехника. – 1990. – Т. 12, № 2. – С. 23 – 39.
21. Немчин
А.Ф.
Новые
технологические
эффекты
тепломассопереноса
при
использовании кавитации // Пром. теплотехника. – 1997. – Т. 19, № 6. – С. 39 – 47.
22. Богданов В.В., Христофоров Б.И., Клоцунг Б.А. Эффективные малообъемные
смесители. – Л.: Химия, 1989. – 224 с.
23. Систер
В.Г.,
Мартынов
Ю.В.
Принципы
повышения
эффективности
тепломассообменных процессов. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 1998. –
508 с.
24. Светлов Ю.В. Интенсификация тепловых гидродинамических процессов в
аппаратах с турбулизаторами потока. Теория, эксперимент, методы расчета. – М.:
Энергоатомиздат, 2003. – 304 с.
25. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Энергосбережение и метод конечных отношений.СПб.: СПбГАУ 2010. – 147 с.
26. . Эткин В.А. Термокинетика (термодинамика неравновесных процессов переноса и
преобразования энергии). Тольятти, 1999.
27. Эткин В.А. К термодинамической теории производительности технических
систем. //Изв. АН СССР. Энергетика, 2000.- №1.-С.99 -106.
28. Эткин В.А. Соотношения взаимности обратимых процессов. //Сиб. Физ.-техн.
Журнал, 1993. Вып.1. С. 2117-2121.
29. Грот С.Р., Мазур П. Неравновесная термодинамика, М.: Мир, 1964.
30. Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов, М.: Мир, 1967.
31. Эткин В.А. Синтез и новые приложения теорий переноса и преобразования
энергии: Дисс. ...д-ра техн. наук. М., 1998. - 213 с.
32. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М. :
Высш. школа, 1975.
33. Задорский В.М. Интенсификация химико-технологических процессов на основе
системного подхода. – Киев: Техника, 1989. – 208 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об
энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении
изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации "
Опубликовано 27 ноября 2009 г. Вступает в силу 27 ноября 2009 г.
35. Рекомендации
по
стандартизации.
методы
подтверждения
показателей
энергетической эффективности общие требования. Госстандарт России. - М.: 2000
№ 428-ст.
36. Каневец
Г.Е.,
Евдокимов
эффективности
В.Ю.,
Розенфельд
химико-технологических,
А.И..
Иерархия
критериев
энерготехнологических
и
теплоэнергетических систем и их элементов // Хим. технология. – 1987. – № 5. – С.
5 –13.
37. Сажин Б.С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. – М.:
Химия, 1992. – 208 с.
38. Ракутько, С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических
процессах АПК: основные положения и практическая значимость / С.А.Ракутько //
Известия РАН. Энергетика.-2009.-№6.-С.168-175.
39. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. – М.: Химия, 1977. –
368 с.
40. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов. – М.: Изд-во лит. по
строит-ву, 1972.– 238 с.
41. Ермилов П.И. Диспергирование пигментов. – М.: Химия, 1971. – 300 с.
42. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов
химической технологии. кн. 5: Процессы измельчения и смешения сыпучих
материалов. – М.: Наука, 1985. – 440 с.
43. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в
аппаратах с вихревым слоем. – Киев: Техника, 1976. – 140 с.
44. Беззубцева М.М., Криштопа Н.Ю. Теоретические основы электромагнитного
измельчения.
–
СПб.:
Санкт-Петербургский
государственный
аграрный
университет, 2005. – 169 с.
45. Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика,
подобие, моделирование, проектирование.В 5 т. Т. 2: Механические и
гидромеханические процессы / Под ред. А.М. Кутепова – М.: Логос, 2001. – 600 с.
46. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. –
Новосибирск: Наука, 1986. – 306 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
47. Механическая активация апатита и его растворимость / М.В. Чайкина, А.С.
Колоссов, Е.Г. Аввакумов и др. // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук. – 1978. –
Вып. 2, № 4. – С. 52 – 59.
48. Ребиндер П.А. Избранные труды. Физико-химическая механика. – М.: Наука, 1979.
– 384 с.
49. Качанов Л.Н. Основы механики разрушения. – М.: Наука, 1974. – 311 с.
50. Молчанов
В.И.,
Юсупов
Т.С.
Физические
и
химические
свойства
тонкодиспергировнных минералов. – М.: Недра, 1981. – 157 с.
51. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М., 2005.
- 753 с.
52. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для
вузов. Изд. 3-е. в 2-х кн: часть 1. Теоретические основы процессов химической
технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. - М.: Химия,
2002. - 400 с.
53. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для
вузов. Изд. 3-е. в 2-х кн: часть 2. Массообменные процессы и аппараты. - М.:
Химия, 2002. - 400 с.
54. Малин Н.И.Энергосберегающая сушка зерна. - М.: КолосС. 2004 240 с.
55. Ляшков В. И. Теоретические основы теплотехники: Учеб. пособие. 2-е изд., стер.
М.: Изд-во Машиностроение-1, 2005. - 260 с.
56. Чагин О.В. , Кокина Н.Р., Пастин В.В. Сушильное оборудование для продуктов.
- Иваново: Иван. хим. - технол. ун-т, 2007. – 138.
57. Леонтьева А.И., Брянкин К.В., Дегтярев А.А., Орехов В.С. научные основы
техники сушки термолабильных материалов. - М.: Академия Естествознания ,
2011. - 203 с.
58. Ветров В. А.. Разработка энергосберегающей безотходной технологии сушки
свекловичного жома с обоснованием параметров сушильной установки :
диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01 Белгород, 2007. - 168 с.
59. Беззубцева М.М., Мазин Д.А. Энергетика технологических процессов в АПК.
Лабораторный практикум. – СПб.: СПбГАУ, 2009. -122 с.
60. Г. В. Семенов, Г. И. Касьянов. Сушка сырья: мясо, рыба, овощи, фрукты, молоко.
Издательство: МарТ, 2002.- 112 с.
61. Беззубцева М.М., Халатов А.Н. Магнитные мешалки. Теория и технологические
возможности. – СПб.: СПбГАУ, 2009. -125 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62. Брагинский Л. Н., Бегачев В. И., Барабаш В. М. Перемешивание в жидких средах:
Физические основы и инженерные методы расчета.— Л.: Химия, 1984.— 336с.
63. Зеленский В. Е. Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных
систем в аппаратах с мешалками: диссертация ... кандидата технических наук:
Санкт-Петербург, 2002. - 191 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Составители:
Беззубцева Марина Михайловна
Волков Владимир Сергеевич
Пиркин Александр Григорьевич
Фокин Сергей Анатольевич
ЭНЕРГЕТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АПК
УЧНБНОЕ ПОСОБИЕ
Редактор В.Н. Карпов
Корректор С.Г. Ахутина
Оформление обложки В.С. Волков
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подписано в печать
Бумага офсетная. Формат 60/90 1/16
Печать трафаретная. 16,25 усл.печ.л
Тираж 30 экз
Заказ №
Отпечатано с оригинал-макета заказчика
в НП «Институт техники и технологий»
Санкт-Петербург-Пушкин, Академический пр., д 31, ауд. 715
Документ
Категория
ГОСТ Р
Просмотров
1 043
Размер файла
4 334 Кб
Теги
технологическая, процессов, энергетика, 2803, апк
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа