Диплом (Разработка влагоустроняющего комплекса тормозного компрессора КТ-7, КТ-7), страница 4

Относительная влажность сжатого воздуха определена как в тормозной магистрали, где температура воздуха равна окружающей, так и в кране машиниста. При этом температура сжатого воздуха непосредственно перед краном машиниста принималась равной окружающей. Из расчётов следует, что относительная влажность воздуха в тормозной ма­гистрали и кране машиниста составляет 85-100%, т. е. воздух не только близок к насыщению, но может быть и насыщен влагой. Это означает, что здесь возможна конденсация влаги и ее замерзание, что и подтвер­ждается опытом эксплуатации локомотивов.

Для более полного охлаждения сжатого воздуха в питательной магистрали на локомотивах необходимо устанавливать трубопроводы значительной длины или специальные теплообменники, что не всегда возможно в связи с ограничениями по габаритам и массе. Однако и такой путь не в состоянии решить проблему предотвращения замерзания влаги, поскольку конденсат выпадает и замерзает и в самой питательной магистрали. Поэтому для предотвращения замерзания влаги в сжатый воздух необходимо осушать воздух [12].

Полученное выражение позволяет определить расход воздуха над поверхностью испарения спирта при различных общих расходах воздуха через аппарат в зависимости от его конструктивных параметров. Взаимосвязь этих величин показана на рисунке. 2.3 в виде номограммы.

Порядок пользования номограммой показан стрелками. Например, величина расхода воздуха над поверхностью испарения, равная 0,07 от общего расхода, может быть получена в аппарате с параметрами d₂/d₁=0,47 и d_А/d₁= 0,188. Этот же относительный расход воздуха будет обеспечиваться в испарителе с размерами d₂/d₁=0,53 и d_А/d₁=0,205.

Рисунок 2.3 - Зависимость расхода воздуха над поверхностью испарения

спирта в испарителе от его конструктивных параметров

Для определения количества испаряющейся жидкости пользуются формулой (2.5), предложенной для расчета процесса испа­рения со свободной поверхности

, (2.5)

где G – часовое количество испаряющейся жидкости;

A – коэффициент испарения;

M и R – молекулярная масса испаряющейся жидкости и газовая

постоянная ее пара;

D – коэффициент диффузии пара испаряющейся жидкости в воздух при температуре Т_п паровоздушной смеси в пограничном слое;

L – длина пути воздушного потока над поверхностью испарения площадью F;

p_ж, p^’_ж – упругость насыщенного пара испаряющейся жидкости при ее температуре и упругость паров жидкости в воздухе.

Коэффициент диффузии зависит от температуры и давления паровоздушной смеси и выражается зависимостью (2.6)

, (2.6)

где D_o – величина молекулярной диффузии паров жидкости в воздух при T₀=273°К и давлении 760 мм рт. ст.

Температура паровоздушной смеси в пограничном слое T_n определяется как средняя арифметическая температура поверхности жидкости и температуры окружающего воздуха T₀. Коэффициент испарения жидкости зависит от скорости движения воздуха над поверхностью испарения, т.е. является функцией числа Рейнольдса. В рассмотренном аппарате характер движения воздуха над поверхностью испарения весьма сложен, здесь возможно существование застойных зон, появление вторичных вихрей и т.п. В связи с этим для конкретного спиртоиспарителя величина коэф­фициента испарения жидкости определялась экспериментально. Резуль­таты опытов обрабатывались по уравнению (2.7). При этом характер­ным линейным размером L считался внутренний диаметр d₀ резервуара аппарата, а площадь F приравнивалась к площади зеркала испарения жидкости. При вычислении числа Рейнольдса скорость потока рассчитывалась по площади F. Опытные точки, представленные в логарифмических координатах хорошо укладываются на прямую линию. Уравнение этой линии имеет вид:

. (2.7)

Найденная зависимость справедлива в диапазоне реальных чисел Рейнольдса, равных 15 - 350.

3 АДСОРБЦИОННАЯ ОСУШКА СЖАТОГО ВОЗДУХА

Все виды адсорбции подразделяют на физические, как процесс взаимодействия между поглотителем и поглощаемым веществом, и химические, рас­сматривающие адсорбцию как химическое взаимодействие. Наибольшее распространение получили хи­мическая теория — уравнение Лэнгмюра и потенциальная теория — уравнение М. М. Дубинина. Каждая молекула адсорбируемого вещества, сталкивающаяся со свобод­ной (то есть не содержащей других адсорбируемых молекул) поверхно­стью адсорбента, удерживается на ней в течение некоторого времени. Чем больше это время, тем большая часть поверхности адсорбента будет покрыта адсорбированным веществом.

1. Адсорбенты, их характеристика

Адсорбент, выбираемый в качестве поглотителя влаги из сжатого воздуха пневмосистем подвижного состава, должен обладать следующими свойствами:

-иметь большую сорбционную емкость при высокой (до 100%) относительной влажности осушаемого воздуха, - иметь большую сорбционную селективность, (способность адсорбировать молекулы воды); - быть механически прочным под действием вибраций, ударов, смены направлений движения сжатого воздуха в адсорбере, смены тем­ператур и др.; -быть способным легко и многократно восстанавливать свои адсорбционные свойства — регенерироваться; -быть недефицитным и не быть дорогостоящим.

В промышленной практике широкое распространение получили микропористые поглотители: активированные угли, силикагели, алюмогели (активная окись алюминия), синтетические цеолиты.

Активированные угли - пористые углеродные адсорбенты органического происхождения. Их получают путем сухой перегонки различных углеродосодержащих веществ (дерева, торфа, костей, скорлупы орехов, отходов кожевенного производства и др.) и активирования полученных углей для повышения их пористости. Активирование осуществляют прокаливанием угля при температурах выше 900 °С, а также другими способами, например, удалением из пор угля смол путем их экстрагирования органическими растворителями, окислением и т. д. Для по­вышения активности углей в них часто перед обугливанием вводят активирующие добавки (растворы хлористого цинка, кислот, щелочей и пр.). Удельная поверхность углей находится в пределах от 600 до 1700 м²/г. Размер гранул составляет 1-5 мм (уголь БАУ) и 1,5–2,7 мм (уголь СКТ). Насыпная плотность углей этих марок равна 350 и 380–450 г/м³ соответственно. Недостатком углей является их горючесть. Силикагель — продукт обезвоживания геля кремниевой кислоты. Гель получают действием серной или соляной кислоты или растворов различных солей, имеющих кислую реакцию, на раствор силиката натрия (жидкое стекло). Выделяющийся гель кремниевой кислоты состава SiO₂·nH₂O промывают водой, сушат при 100-150 °С, пока влажность не достигнет 5-7%, при которой силикагель имеет наибольшую поглотительную способность. В силикагеле поры однородны по величине и равномерно распределены. Основным достоинством силикагеля по сравнению с активированным углем является его негорючесть, однако в результате температурных колебаний и от воздействия капельной влаги он растрескивается. Удельная поверхность силикагеля находится в диапазоне от 272 до 580 м²/г, средний радиус пор составляет для мелкопо­ристого адсорбента 13-15,5 Å, для крупнопористого — от 64 до 70 Å.

Алюмогель или активная окись алюминия - это смесь нормального гидрата окиси алюминия Аl(ОН)₃ с полигидратами окиси алюминия и получают его термической обработкой окиси алюминия. По адсорбци­онным свойствам он близок к силикагелю. Существенное его преимущество перед силикагелем в том, что он не разрушается от воздействия жидкости.

Цеолиты - минералы, являющиеся водными алюмосиликатами натрия или кальция. К цеолитам относятся анальцит, бентонит, глауконит, десмин, натролит, шабазит и др. В качестве промышленных адсорбентов применяются главным образом искусственные (синтетические) цеолиты. Особенность строения цеолитов заключается в том, что каж­дый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, которые рас­полагаются вокруг него в вершинах тетраэдра. Скелет тетраэдров обра­зует сотообразные структуры, обладающие большими полостями, которые сообщаются между собой входными окнами.

Рисунок 3.1 -Зависимость статической влагоёмкости от температуры адсорбции для различных адсорбентов

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной способностью (статической влагоёмкостью), которая определяется количеством вещества, поглощаемого единицей массы или объёма. Ее величина зависит от температуры, при которой производится адсорбция, и концентрации поглощаемого вещества. На рисунке 3.1 приведены зависимости статической влагоемкости некоторых адсорбентов от температуры адсорбции при концентрации поглощаемой влаги, равной 23 г/м³.

Рисунок 3.2 - Зависимость влагоёмкости различных адсорбентов от влагосодержания осушаемого воздуха при t=25 °С

Из графиков следует, что при температуре 30 °С силикагель и цеолит NaX имеют влагоёмкость выше 28% мас., цеолиты NaA и СаА около 22% мас., а алюмогель — 12% мас. По мере повышения температуры активность силикагеля и алюмогеля резко снижается и при температуре 100-120 °С эти адсорбенты уже практически не способны поглощать влагу. По-иному ведут себя цеолиты. С ростом температуры их адсорбционная способность по отношению к воде уменьшается не так резко, как у силикагеля и алюмогеля. Так, например, для цеолитов типа NaA и СаА при температуре 25 °С и влагосодержании примерно 23 г/м³ их ак­тивность составляет 22% мас., при повышении температуры адсорбции до 120 °С — 15% мас. и только при температурах 250 °С их влагоёмкость менее 4% мас. В связи с резким ухудшением адсорбционных свойств силикагеля и алюмогеля с повышением температуры процесса адсорбции их применение при температурах выше 25-35 °С становится нецелесообразным.

Из графиков 3.2 следует, что в области высоких парциальных давлений водяных паров наибольшей равновесной активностью обладает силикагель. При более низких влагосодержаниях воздуха выявляется преимущество цеолитов, кроме цеолита.

На степень осушки большое влияние оказывает скорость осушаемого воздуха, рассчитанная на незаполненное сечение адсорбера [13]. Удовлетворительные результаты адсорбции водяных паров получены при скоростях воздуха перед фронтом адсорбента до 0,35 м/с. Влияние увеличения скорости потока осушаемого воздуха на адсорбционную способность цеолита менее заметно, чем при адсорбции другими типами адсорбентов.

На процесс осушки воздуха оказывает также влияние его относительная влажность. Результаты исследований показывают, что с повышением относительной влажности осушаемого воздуха, влагоёмкость адсорбента повышается, но с уменьшением ее величины активность цеолитов падает значительно меньше, чем других адсорбентов. В связи с этим в адсорбционных установках для более полного использования адсорбента и, следовательно, для уменьшения объема осушителя сжатый воздух перед осушкой охлаждают до температуры, обеспечивающей его максимальную влажность, но не доводя его до насыщения.

В процессе адсорбции выделяется тепло, воспринимаемое воздушным потоком. При дальнейшем прохождении через слой поглотителя нагретый в зоне активной адсорбции воздух, соприкасаясь с холодным адсорбентом, передает ему часть тепла, что в свою очередь снижает его активность. Для исключения этого явления в слое силикагеля и некоторых других адсорбентов размещают охлаждающие устройства, что усложняет конструкцию адсорберов и их эксплуатацию. Поскольку адсорбционная способность цеолитов по сравнению с другими адсорбен­тами меньше меняется с повышением температуры, тепло, выделяющееся в процессе поглощения влаги, не оказывает существенного влияния на активность адсорбента. Поэтому цеолитовые адсорберы не нуждаются в охлаждающих устройствах. Основным показателем, используемым в расчетах стадии адсорб­ции, является динамическая влагоёмкость адсорбента, под которой по­нимается количество влаги, поглощенное единицей массы адсорбента в слое данной длины из газового потока с определенным влагосодержанием при данной скорости и температуре газа до момента проскока влаги в газе, покидающем слой адсорбента. Ее величина определяется для кон­кретных условий адсорбционного процесса экспериментально, хотя для предварительных расчетов адсорбционных установок ее принимают равной 4-12%.

1. Регенерация адсорбента

Процесс осушения будет экономически выгоден, если поглотитель влаги используется многократно. Следовательно, насы­щенный парами воды адсорбент необходимо подвергнуть регенерации.

Способы осуществления регенерации вытекают из способности адсорбента менять свою насыщенность влагой при изменении темпера­туры и парциального давления адсорбента. По этому признаку и адсорбционные установки делятся на установки с термической регенерацией адсорбента и на безнагревные.

Термическая регенерация адсорбента осуществляться путем нагрева слоя поглотителя извне или изнутри нагревательными элементами, подачей в слой адсор­бента подогретого, сухого воздуха с применением ва­куума. Полнота и продолжительность регенерации зависит от температуры, скорости и влагосодержания регенерационного воздуха. Температура регенерации не должна быть выше той температуры, при которой могут произойти структурные изменения адсорбента. Для силикагеля, алюмогеля и активного глинозема она находится в пределах 450-500 °С. Для цеолитов разрушение наступает в процессе их прокалки при температуре 700-750 °С. Температурой, обеспечивающей практически полную регенерацию, большинство исследователей считают 150-200 °С - для силикагеля, 240-270 °С - для активированного глинозема и алюмогеля. Регенерацию цеолитов ведут при температуре порядка 200-400 °С, значительно ниже границы их термической стойкости. Поскольку время работы каждого из адсорберов на осушке воздуха должно быть не более времени регенерации, то длительность цикла определяется продолжительностью операций нагрева и охлаждения. Охлаждение адсорбента может выполняться продувкой сухим холодным воздухом или путем отвода тепла в окружающую среду. Продолжительность цикла таких установок обычно составляет 4-16 часов. В ряде случаев в установках предпринимаются попытки уменьшить продолжительность рабочего времени за счет сокращения времени остывания ад­сорбента. Применяют циркуляционную продувку холодным воздухом, водяное охлаждение, обдув адсорберов и орошение их наружной поверхности. В других случаях продолжительность цикла сокращают за счет неполного охлаждения слоя поглотителя, которое заканчивается уже после переключения адсорбера на осушку при подаче холодного влажного воздуха.