CC BY
15
Известия
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 259 1975
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫПАРНОЙ АППАРАТУРЫ С ПРЯМЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАГРЕВОМ
В. П. ПИЩУЛИН
(Представлена научно-методическим семинаром кафедры процессов, машин и аппаратов химических производств)
Электрическая энергия является ¡наиболее эффективным и перспективным теплоносителем в различных 'Процессах и аппаратах химической технологии. Разработка ряда конструкций аппаратов с прямым электрическим нагревом требует методики расчета аппаратуры. В настоящем сообщении основное внимание уделено методике расчета выпарной аппаратуры с прямым электрическим нагревом, поскольку при прямом электронагреве тепло (выделяется непосредственно в самом нагреваемом материале за счет прохождения электрического тока через материал, служащий сопротивлением, то есть при прямом электронагреве полностью отсутствует теплопередача через стенку. При этом возможно выделение большого количества энергии в определенных объемах с высокой скоростью нагрева ¡и получение 'вследствие этого любых температур. Коэффициент полезного превращения электрической энергии (в тепловую составляет 95—98%, упрощается теплоподвод и, естественно, тепловой раючет аппаратуры. Электротермические установки компактны и просты по конструкции.
Необходимое количество тепла и мощность нагревателя для проведения процесса нагревания или выпаривания растворов рассчитываются ¡из теплового баланса аппарата. Это тепло ¡выделяется при прохождении переменного электрического тока через систему электрод— раствор — электрод согласно закону Джоуля — Ленца
01=к1и%=кРНх, (1)
где / — сила тока, а;
и — рабочее напряжение, в;
Я — сопротивление, ом;
х —время;
& — коэффициент пропорциональности.
В системе электрод — раствор — электрод электроды обладают электронной проводимостью, нагреваемый или выпариваемый раствор— ионной проводимостью, а сопротивление системы будет складываться из сопротивления электродов, раствора и двух сопротивлений на границе электрод—раствор, определяемых сопротивлением двойного электрического слоя и химическими реакциями на поверхности электродов. Поскольку сопротивление электродов —»величина относительно малая, можно считать, что сопротивление раствора и граничные сопротивления определяют общее сопротивление системы и процесс выделения тепла.
Для определения сопротивления раствора необходимо знать удель-
2* 19
йую электропроводность раствор-а, расстояние между электродами, их форму, расположение, газонаполнение электролита.
/?р =/Сг ./с- -!---, (2)
7. Г
Кг=-, (3)
1—1.78Г+Г2
Г=-^-, (4)
^г+^р '
где х — удельная электроводность раствора, омгх-смгх\
6 — расстояние между электродами, см;
Б—(рабочая поверхность электродов, см;
Кг—коэффициент, учитывающий газонаполнение электролита {1],
К — коэффициент, учитывающий форму ¡и (расположение электродов;
Г — газонаполнение;
Уг —объем газа в смеси;
Ур — объем раствора в смеси.
Величина граничного сопротивления определяется удельным граничным сопротивлением и рабочей поверхностью электродов. Удельное граничное сопротивление зависит от материала электрода, состава и концентрации раствора, температуры процесса и плотности тока на поверх* ности электрода и определяется экспериментально
. (5)
Г
где #уд. Гр —удельное граничное сопротивление, ом*см2.
Сила тока определяется плотностью тока и ¡рабочей поверхностью электрода. Оптимальная плотность тока 'выбирается 'экспериментально для каждого процесса в зависимости от электрофизических и коррозионных свойств в системе электрод — раствор — электрод. По выбранным на основе экспериментальных данных плотности тока и соотношениям геометрических размеров, конфигурации электродов определяется электрическое сопротивление в системе, линейные размеры, рабочее напряжение и сила тока для плоскопараллельных электродов при совместном решении уравнений (6—12), для цилиндрических коаксиальных электродов по уравнениям (13—20).
(6)
= ---— т~2 ^уд-гр . = (7)
х Р /-1 у.-п-тЛ п-т-Ь1
и=1Я = 1 ( Кт'*'Ь +2/гУд.Рр), (8)
N=1 +)2/?уд.Гр ^ — ¿2-62 +2/?уд. Гр^ , (9)
р—а-Ь—п-т-Ъ2, (10)
а=п-б, (11)
& = т-6, (12)
где I — плотность тока, а/см2;
а — ширина электрода, сМ;
Ъ — длина Электродов, см\
п — коэффициент соотношений ширины электрода и расстояния между электродами;
т — коэффициент соотношения длины электрода и ¡расстояния между электродами.
/=£-/гср = 1-*2п-п-гв ¡212=11, (13)
1п т
Рср=2п-гсрн, (14)
'"ср
гн
(15)
\пГЛ
гв
Н—п-гв, (16)
гн = т-гв, (17)
Я=Яр+ЯгР.н'+ЯгР.в = „' + (18)
^ 2я/г-гв \ % т-гв гв /
£/=/./? = 1.гв-+ (19)
1п т \ у- гв /
М==1.и=2пп.^-г1(^-)2 ■ + (20)
в\ 1пт / Vх ' т-гв
где — средняя поверхность прохождения тока, см2\
гср — средний радиус межэлектродного пространства, см\ г н— радиус наружного электрода, см; Гв — радиус внутреннего электрода, см\
п — коэффициент соотношения длины электродов и радиуса внутреннего электрода; /п—коэффициент соотношения радиусов наружного и -внутреннего электродов;
Кгр. н— удельное граничное сопротивление наружного электрода, ом-см2\
Ягр.в— удельное граничное сопротивление внутреннего электрода, ом • см2;
причем ЯГр.нИ ^гр.в выбираются при соответствующей плотности тока
: __гН~гъ /га— 1 . /9П
¿Н =---- '1= -;--(¿1)
г -1п гн т\пт
¿в =---— -¿= <22)
. г1Г1п^ 1пт
Проверка расчета в лабораторных условиях показала, что отклонение мощности, выделявшейся в аппарате во время исследования, от расчетной составляло до ±6%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Н. П. Федотьев [др.]. Прикладная электрохимия. «Химия», (1967.
2. Исследование в области промышленного электронагрева. Труды ВНИИЭТО. Вып. 2. Под ред. А. П. Альтгаузена и Л. Е. Никольского. «Энергия», 1967,
