Нагревание можно проводить: непосредственно голым пламенем; через асбестированную сетку; на бане; электронагревательными приборами.
Голым пламенем пользуются большей частью при прокаливании шамотных, фарфоровых, платиновых, никелевых, железных и других металлических тиглей и кварцевой посуды.
Нагревать голым пламенем химическую посуду, например колбы, стаканы и т. д., не рекомендуется, так как посуда при этом может лопнуть. При нагревании химической посуды в большинстве случаев пользуются асбе-стированными сетками (рис. 208) или куском листового асбеста. Сетку кладут на треногу или на кольцо штатива, на нее ставят сосуд и снизу подставляют горелку. Пламя горелки не касается непосредственно сосуда, и нагревание идет через асбест, чем достигается большая равномерность обогрева.
Однако на сетке довольно трудно вести нагревание при какой-либо определенной температуре. Для этого применяют разного рода бани, из них наиболее употребительными являются: водяные, паровые, солевые, воздушные, песочные, масляные, глицериновые, парафиновые, трикрезилфосфатные, из легкоплавких металлов и сплавов.
Водяные бани (рис. 209). Водяные бани применяют только в тех случаях, когда требуется нагревание не выше 100°С, Бани закрываются сверху рядом концентрических, налегающих одно на другое колец.
Кроме одпогнездных водяных бань, в лабораториях применяют также и многогнездные, одна из которых показана на рис. 210.
Рис. 208. Асбестированная сетка.
Нагревание на водяной бане можно проводить двумя способами: обогреваемую посуду погружают в кипящую воду, в этом случае температура нагрева достигает 100° С; обогреваемая посуда не касается воды и нагревается только водяным паром, - температура нагрева на несколько градусов ниже 100° С.
Рис. 210. Трехгнездная водяная баня с газовым обогревом.
В баню наливают воду так, чтобы до краев оставалось 2-3 см. Нагреваемый сосуд помещают на кольцо такого диаметра, чтобы своей нижней частью он находился на 1,5-2 см внутри бани.
Если нагревают стакан, то его надо ставить так, чтобы он не проваливался, т. е, внутренний диаметр кольца должен быть меньше диаметра дна стакана.
Воду в бане нагревают до кипения и поддерживают в таком состоянии во все время нагревания.
При работе с водяной баней нужно заботиться о том, чтобы в ней всегда была вода. Часто случается, что по недосмотру работающего вся вода из бани выкипит, в результате чего могут произойти неприятные последствия (порча бани, порча нагреваемого вещества). Поэтому в лабораторной практике лучше всего пользоваться 6ai нями с автоматическим питанием водой (рис. 209,а)." В нижней части такой бани имеется отросток, к которому присоединено сифонное устройство для автомати-
Рис. 211. Схема сифона для поддержания постоянного уровня воды: 1 - трубка, присоединяемая к водо-проиодному крану; 2-сливная трубка для удаления избытка воды; S-трубка, соединяющая сифонное устройство с водяной баней.
ческого поддержания уровня воды. Сифонные устройства бывают различной конструкции. Одна из конструкций сифонного устройства для автоматического питания бани водой показана на рис. 211. Вода в баню поступает через трубку /, соединенную с источником воды (водопроводный кран, бутыль с водой). Излишки воды вытекают через сливной патрубок 2, на который надевают резиновую трубку, отведенную в раковину. Ток воды через трубку / устанавливают очень медленный.
Можно также устроить автоматическое питание бани водой по схеме, изображенной па рис. 212. Баня 5 соединяется через сифонное устройство 4 резиновой трубкой с сосудом 3. Вода в этом сосуде должна находиться на одном уровне с водой в бане. Этот сосуд при помощи коленчатой трубки 2 соединен с сосудом 1. Трубка 2 опущена в сосуд 3 на 1-1,5 см. Когда уровень воды в бане 5 и в сосуде 3 понизится так, что конец трубки 2 будет находиться над уровнем жидкости, из сосуда / выльется такое количество воды, которое снова создаст прежний уровень.
Еще менее сложное приспособление для автоматического питания водой приведено на рис. 213; оно состоит из колбы или бутыли 1 емкостью в несколько литров, укрепленной в штативе горлышком вниз. Через пробку проходит уравнительная трубка 2, нижний конец которой опущен в патрубок 3 так, чтобы он был в воде не более чем на 1 см. По мере убывания воды в бане 4 нижний конец уравнительной трубки 2 окажется над уровнем жидкости, в результате чего из бутыли / выльется такое количество воды, что в патрубке 3 установится начальный уровень жидкости.
Для обогревания небольших пробирок в качестве водяной бани рекомендуется использовать химические стаканы небольшой емкости. Предложено много способов крепления пробирок в подобных случаях. Удобно применять приспособление (рис. 214), которое легко может изготопкть каждый работающий в лаборатории. В центре корковой пробки подходящего размера (по стакану) укрепляют держалку из проволоки. В пробке просверливают 3-4 или больше отверстий, диаметр которых на 1 мм больше диаметра пробирок. Пробирку с веществом, подлежащим обогреву, вставляют в отверг стис пробки и помещают последнюю в стакан с горячей водой.
Если в лаборатории имеется подводка пара, то им очень удобно пользоваться для обогрева водяных бань, особенно групповых, имеющих много гнезд. Приспособить водяную баню для обогрева паром может любая механическая мастерская. Устройство водяной бани с паровым обогревом напоминает паровую баню (см, ниже).
1. На каком из способов теплопередачи основано нагревание твёрдых тел?A. Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.2. Какой вид теплопередачисопровождается переносом вещества?A.Теплопроводность.Б. Излучение.B.Конвекция.3. Какое из перечисленных ниже веществ имеет наибольшуютеплопроводность?А. Мех. Б. Дерево. В. Сталь.4.Какое из перечисленных ниже веществ имеет наименьшую, теплопроводность?A.Опилки. Б. Свинец. В. Медь.5. Назовите возможный способ теплопередачи между телами, отделеннымибезвоздушным пространством.A.Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.6.Металлическая ручка и деревянная дверь будут казаться на ощупь одинаковонагретыми при температуре...A.выше температуры тела.Б. ниже температуры тела.B.равной температуре тела.7.Что происходит с температурой тела, если оно поглощаетстолько же энергии, сколько излучает?A.Тело нагревается.Б. Тело охлаждается.B. Температура тела не меняется.8. Каким из способов происходит теплопередача в жидкостях?A.Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.9. Какое из перечисленных ниже веществ обладает наименьА. Воздух. Б. Чугун. В. Алюминий10. Удельная теплоемкость воды 4200(Дж/кг*0С). Это означает,что...A.для нагревания воды массой 4200 кг на 1 °С требуется количество теплоты,равное 1 Дж.Б. для нагревания воды массой 1 кг на 4200 °С требуется количество теплоты,равное 1 Дж.B.для нагревания воды массой 1 кг на 1 °С требуется коли11.Удельная теплота сгорания топлива показывает, какое коA.сгорании топлива.Б. полном сгорании топлива.B. при полном сгорании топлива массой 1 кг.12. Испарение происходит...A.при любой температуре.Б. при температуре кипения.B.при определенной температуре для каждой жидкости.13. При наличии ветра испарение происходит...A.быстрее.Б. медленнее.B. с такой же скоростью, как и при его отсутствии.14. Может ли КПД теплового двигателя стать равным 100%, если трение междудвижущимися деталями этой машины свести к нулю?А. Да. Б. Нет.15. Из какого полюса магнита выходят линии магнитного поля?А. Из северного. Б. Из южного. В. Из обоих полюсов.16. К шарику незаряженного электроскопа подносят, не касаясь его, телозаряженное отрицательным зарядом. Какой заряд приобретут листочкиэлектроскопа?А. Отрицательный. Б. Положительный. В. Никакой.17. Может ли атом водорода или любого другого вещества изменить свой заряд на1,5 заряда электрона?А. Да. Б. Нет.18. Какое изображение получается на сетчатке глаза человека?А. Увеличенное, действительное, перевернутое.Б. Уменьшенное, действительное, перевернутое.В. Увеличенное, мнимое, прямое.Г. Уменьшенное, мнимое, прямое.19. Что измеряет амперметр?А) Электрическое сопротивление проводниковБ) Напряжение на полюсах источника тока или на каком-то участке цепиВ) Силу тока в цепиГ) Мощность электрического тока20. Диффузия – это:А) Процесс повышения температурыБ) Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одноговещества между молекулами другогоВ) Явление, при котором тело из состояния твердого переходит в состояниежидкогоГ) Процесс увеличения плотности тела21. Формула КПД:А) ŋ= Аn* 100%АɜБ) ŋ= Аɜ * 100%АnВ) ŋ= Аn * Аɜ100%Г) ŋ= Аn * Аɜ * 100%22. Что гласит закон Архимеда?А) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнавесу жидкости, вытесненной этим теломБ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнаскорости погружения этого тела в жидкостьВ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнаплотности этого телаГ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весуэтого тела23. Какое дейА)теп24. ВнутА)тольБ)тольВ)тольГ) от тем25. Какие из перечисленных веществ относятся к проводникам?а) резина; б) медь, в) пластмасса; г) стекло.26. Тело электризуется только тогда, когда оно …... заряд.а) приобретает; б) теряет; в) приобретает или теряет.27. Какие из перечисленных веществ относятся к диэлектрикам?а) резина; б) медь; в) раствор серной кислоты; г) сталь.28. Одноименно заряженные тела …...., а разноименно заряженные - ……...а) ...отталкиваются, ...притягиваются,б) ...притягиваются, ...отталкиваются.29. Электрическим током называют...А. Движение электронов по проводнику.Б. Упорядоченное движение электронов по проводнику.В. Упорядоченное движение протонов по проводнику.Г. Упорядоченное движение заряженных частиц.Д. Движение электрических зарядов по проводнику.30. Какое превращение энергии происходит при работе электрической кофемолки?Электрическая энергия превращается...А. В химическую. Б. В механическую.В. В световую. Г. Во внутреннюю
1.сколько воды можно нагреть кипятильником от 10 градусов до 100градусов ЦЕльси, сжигая в нем 0,6кг березовых дров, если для нагревания воды пошло 25%
теплоты, выделившейся при сжиганий дров
2.сколько дров понадобится сжечь, чтобы истопить кирпичную печь? КПД печи равен 25% , маса печи 1,5 т, в процессе протапливания температура печи изменяется от 10 градусов до 70 градусов цельси.
3. На спиртовке нагрели 175г воды от 15 градусов до 75градусов Цельси. НАчальная масса спиртовки со спиртом была равна 163г, а по окончании нагревания - 157г. Найдите КПД нагревательной установки
4. В медном сосуде массой 0,5 кг нагреваются 2л воды, взятой при температуре 10 градусов ЦЕльси. До какой температуры можно нагреть воду за счет сжигания 50г спирта (КПД считать равным 50%)?
5. На примусе с КПД 40% необходимо вскипятить 4л воды, начальная температура которой 20 градусов Цельси, в алюминиевой кастрюле массой 2кг.Определите расход керосина на нагревание воды и кастрюли.
6. Каково отношение масс спирта и бензина в смеси,если удельная теплота сгорания этой смеси 40 МДж/кг?
Нагревание в химической и смежных отраслях промышленности используют для ускорения химических реакций, а также для проведения и интенсификации ряда гидродинамических, тепловых и массообменных процессов.
В зависимости от температурных и других условий проведения процесса для каждого из них выбирают такой метод нагревания, который является наиболее оправданным в технологическом и экономическом отношениях.
Наибольшее распространение получили следующие методы нагревания: водяным паром и горячей водой, топочными газами, высокотемпературными теплоносителями и электрическим током.
Нагревание водяным паром и горячей водой
Для нагревания применяется преимущественно насыщенный водяной пар, основными достоинствами которого являются:
– высокая теплота конденсации, численно равная теплоте испарения;
– высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности теплопередачи;
– равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;
– возможность передачи на большие расстояния без транспортирующих устройств.
Основной недостаток водяного пара – быстрый рост давления с повышением температуры, что приводит к удорожанию аппаратуры из-за необходимости увеличения ее прочности. Поэтому температуры, до которых можно производить нагрев в промышленных условиях, обычно не превышают 180–190 С, что соответствует давлению пара 1,0–1,5 МПа.
Рисунок8.1 – Устройство для нагревания жидкости «острым» паром: 1 – резервуар; 2 – паровая труба; 3 – запорный вентиль; 4 – обратный клапан; 5 – продувочный вентиль
Нагревание «острым» паром . Наиболее простым способом нагревания является введение пара непосредственно в нагреваемую среду (жидкость). Пар при этом конденсируется и отдает тепло нагреваемой среде, а образующийся конденсат смешивается с ней. Такой пар получил название «острого». Простейший аппарат для нагревания жидкости «острым» паром представлен на рис. 8.1.
Рисунок 8.2 – Паровой барботер: 1 – резервуар; 2 – барботер; 3 – паропровод; 4 – запорный вентиль
Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер – трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис. 8.2) или колец.На паропроводящей трубе устанавливают обратные клапаны (рис. 8.1), которые пропускают пар в аппарат, но задерживают жидкость, поднимающуюся из аппарата в случае, когда давление в паропроводе ниже давления в аппарате. Для того чтобы избежать введения излишних количеств воды в нагреваемую жидкость, на паровой трубе устанавливают продувочные вентили, через которые перед нагреванием удаляют накопившийся в трубе конденсат.
При обогреве «острым» паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.
Расход «острого» пара D определяют из теплового баланса:
откуда
,(8.1)
где G , c , t н – расход, удельная теплоемкость и начальная температура нагреваемой жидкости;t к – конечная температура смеси нагреваемой жидкости и конденсата;λ– энтальпия пара;c к – удельная теплоемкость конденсата.
Нагревание «глухим» паром . Если по технологическим причинам недопустимо использование «острого» пара, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку.
Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства теплообменного аппарата в виде конденсата. Температура конденсата с достаточной точностью может быть принята равной температуре насыщенного греющего пара. При таком допущении передача тепла происходит при постоянной температуре одного из теплоносителей и взаимное направление движения жидкости и пара не имеет значения. Однако в теплообменный аппарат пар обычно подводят сверху для того, чтобы конденсат мог свободно стекать сверху вниз и удаляться из аппарата.
Расход «глухого» пара определяют из теплового баланса:
, (8.2)
где t конд – температура конденсата.
Для нормальных условий работы теплообменных аппаратов, обогреваемых водяным паром, необходимо непрерывно отводить от них конденсат. При этом нельзя допускать потери несконденсировавшегося пара с уходящим из аппарата конденсатом.
Отвод конденсата и неконденсирующихся газов производится с помощью специальных устройств –конденсатоотводчиков. Работа их основана на использовании различия плотностей пара и конденсата.
Конденсатоотводчики с закрытым поплавком (рис. 8.3,а ) применяют при давлении пара выше 1 МПа. При поступлении в корпус 3 конденсата поплавок 2 всплывает, открывая клапан 1 для вывода конденсата. С выходом конденсата поплавок опускается и клапан закрывает выходное отверстие.
При непрерывном поступлении конденсата клапан открыт соответственно постоянному расходу. Вертикальное положение поплавка с клапаном фиксируется стержнем 4 и направляющим стаканом 5.
Рисунок 8.3 – Конденсатоотводчики: а – с закрытым поплавком;б – с открытым поплавком; 1 – клапан; 2 – поплавок; 3 – корпус; 4 – стержень; 5 – направляющий стакан
Конденсатоотводчики с открытым поплавком (рис. 8.3,б ) периодического действия. Конденсат поступает в корпус и заполняет его. При этом поплавок, выполненный в виде стакана, всплывает и при помощи клапана закрывает выходное отверстие. Клапан крепится к стакану стержнем. При дальнейшем поступлении конденсата он начинает переливаться через края поплавка и заполняет его. При определенном заполнении поплавка конденсатом он опускается и клапан открывает отверстие, через которое выводится конденсат.При постоянном расходе пара, а следовательно, и при постоянной скорости отвода конденсата применяют более простые конструкции конденсатоотводчиков. Таким конденсатоотводчиком служит подпорная шайба, представляющая собой диск с одним или несколькими отверстиями диаметром до 5–6 мм. Перед диском устанавливают добавочную шайбу с отверстием большего диаметра или сетку для предупреждения засорения отверстия шайбы песком, окалиной и т.д. Работа шайбы основана на том, что при небольших давлениях до 0,7 МПа через нее проходит ничтожно мало пара по сравнению с расходом конденсата.
Подобно подпорной шайбе работает подпорный фильтр. Здесь роль шайбы выполняет слой песка или гравия, насыпанный на сетку. Соответственно размеру частиц фильтрующего слоя высота его выбирается таким образом, чтобы производительность строго отвечала количеству отводимого конденсата.
Рисунок 8.4 – Схема установки конденсатоотводчика: 1 – теплообменный аппарат; 2 – отдувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик; 4, 5, 6 – запорные вентили; 7 – обводная линия
Конденсатоотводчики устанавливают не менее чем на 0,5 м ниже места вывода конденсата из пространства теплообменного аппарата. Для обеспечения непрерывной работы аппарата при ремонте и осмотре конденсатоотводчиков они снабжаются обводной линией (рис. 8.4).При обогреве «глухим» паром в паровом пространстве теплообменника скапливаются несконденсирующиеся газы, главным образом воздух, попадающий в аппарат вместе с паром. Из-за наличия газов в паровом пространстве резко снижается коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, поэтому газы периодически удаляют с продувкой через предусмотренный для этой цели в аппарате штуцер с вентилем.
Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, так как она имеет более низкий коэффициент теплоотдачи, более низкую температуру при низких давлениях, а в процессе теплообмена охлаждается (неравномерный обогрев). Ее используют для нагревания до температур ниже 100 С. Как правило, для этой цели служит отходящая вода или конденсат пара.
ЛЕКЦИЯ 10
НАГРЕВАНИЕ, ИСПАРЕНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ
10.1. НАГРЕВАНИЕ
Нагреванием называется процесс повышения температуры материалов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой технологии являются нагревание горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром, топочными газами и электрическим током.
Для этих целей применяют теплообменники различных конструкций.
Нагревание водой используют для повышения температуры и пастеризации пищевых продуктов при температурах ниже 100 0С. Для нагревания до температуры выше 100 °С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением. Вода является доступным и дешевым, некоррозиеактивным теплоносителем, имеющим высокие теплоемкость и коэффициент теплоотдачи. Обычно обогрев водой осуществляется через разделяющую теплоноситель и продукт стенку аппарата.
При нагревании водой или другими жидкостями, например маслом, органическими теплоносителями, часто применяют циркуляционный способ обогрева. По этому способу горячая вода (либо другой теплоноситель) циркулирует между нагревателем и теплообменником, в котором она отдает теплоту. Циркуляция может быть естественной или принудительной. Естественная циркуляция происходит за счет разности плотностей горячего и холодного теплоносителей.
Более эффективным является способ обогрева при принудительной циркуляции, которую осуществляют с помощью насоса.
Для обогрева теплиц при выращивании огурцов, томатов и других овощей используют горячую воду, отходящую от заводских теплоиспользующих установок.
Другим способом нагревания горячими жидкостями является обогрев с помощью обогревательных бань, представляющих собой аппараты с рубашками. Рубашка нагревается топочными газами, с помощью электрообогрева или насыщенным водяным паром высокого давления, подаваемым в змеевик.
Из высококипящих органических жидкостей для создания высоких температур применяют минеральные масла (до 250...300 °С), тетрахлордифенил (до 300 °С), глицерин, кремнийорганические соединения и др. Наибольшее распространение имеет дифенильная смесь, которая используется для нагревания по циркуляционному способу, а также для заполнения обогревательных бань. Коэффициент теплоотдачи для жидкой дифенильной смеси в условиях естественной циркуляции составляет 200...350 Вт/(м2 *К). Дифенильная смесь обеспечивает обогрев до 260...400 °С.
Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из теплового баланса
где: Gв и Gп – массовые расходы соответственно воды и продукта, кг/ч; св и сп – теплоёмкости соответственно воды и продукта, кДж/(кг*К), и https://pandia.ru/text/78/268/images/image004_33.gif" width="142" height="54"> (10.2)
Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара (2024...2264 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях соответственно 0,1... 1,0 МПа); высоким коэффициентом теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке - порядка кДж/(м2*ч*К); равномерностью обогрева.
При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа: нагревание «глухим» насыщенным паром и «острым» паром.
При нагревании «глухим» паром теплота от конденсирующегося насыщенного водяного пара к нагреваемому теплоносителю передается через разделяющую их стенку. Греющий «глухой» пар конденсируется и выводится из парового пространства теплообменника в виде конденсата. При этом температуру конденсата принимают равной температуре насыщенного греющего пара.
Массовый расход пара (в кг/ч) при нагревании жидкости определяют из теплового баланса
https://pandia.ru/text/78/268/images/image006_22.gif" width="133" height="40"> (10.4)
где: D – массовый расход пара, кг/ч; G – массовый расход жидкости, кг/ч; с – удельная теплоёмкость жидкости, кДж/(кг*К); tн и tк – соответственно начальная и конечная температура жидкости, 0С; - удельные энтальпии соответственно греющего пара и конденсата, кДж/ч.
Чтобы пар полностью конденсировался в паровом пространстве теплообменника, на отводной линии конденсата устанавливают конденсатоотводчики различных конструкций (рис. 10.1). Конденсатоотводчик пропускает конденсат, но не пропускает пар, поэтому пар полностью конденсируется в паровом пространстве теплообменника, что приводит к существенной его экономии.
Рис. 10.1. Схема установки конденсатоотводчика:
1 – теплообменник; 2 – продувочный вентиль ; 3 – конденсатоотводчик; 4 – вентили; 5 – отводная линия
При нагревании «острым» паром водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость. Пар конденсируется и отдает теплоту нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается с жидкостью. Пар вводится через барботер, представляющий собой во многих случаях трубу с отверстиями, согнутую по спирали Архимеда либо по окружности. Впуск пара по барботеру обеспечивает одновременно с нагреванием жидкости ее перемешивание с паром.
Расход «острого» пара определяют из теплового баланса
https://pandia.ru/text/78/268/images/image010_16.gif" width="112" height="55 src="> (10.6)
Нагревание «острым» паром применяют в тех случаях, когда допустимо разбавление нагреваемой среды водой. Этот способ часто используют для нагревания воды и водных растворов.
Нагревание топочными газами , образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных печах, используется, например, для обогрева сушилок.
Недостатками обогрева топочными газами являются: низкий коэффициент теплоотдачи, равный 60...120 кДж/(м2*ч*К), значительные температурные перепады и неравномерный нагрев; сложность регулирования температуры; окисление стенок аппаратов, а также наличие вредных продуктов сгорания, что делает недопустимым применение топочных газов для нагревания пищевых продуктов при непосредственном соприкосновении с ними.
Кроме топочных газов, полученных в специальной печи, используют также отработавшие газы от печей, котлов и т. д. температурой 300...500 °С. Применение отработавших газов не требует дополнительного расхода топлива, поэтому использование их для нагревания весьма рационально.
Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах сопротивления прямого и косвенного действия.
В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через него электрического тока.
Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик переменного электрического тока молекулы диэлектрика приходят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющейся теплоты пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно применяют частоту тока 1*106Гц.
Для получения токов высокой частоты используют генераторы различных конструкций.
Достоинства диэлектрического нагревания: непосредственное выделение теплоты в нагреваемом теле; равномерный быстрый нагрев всей массы материала до требуемой температуры; простота регулирования процесса.
В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам. Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвекцией.
Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяется из теплового баланса
https://pandia.ru/text/78/268/images/image012_16.gif" width="20" height="24">- количество теплоты, выделяющееся в нагревательном электрическом устройстве при прохождении электрического тока, кДж/ч; G – количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч; c – удельная теплоёмкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг*К); и - соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, 0С; - потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.
Из уравнения (10.7)
(10.8)
Мощность нагревательных элементов (в кВт)
10.2. ИСПАРЕНИЕ
Испарение - процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективно испарение жидкостей происходит при кипении. Испарение в пищевой технологии используют для охлаждения и опреснения воды, концентрирования растворов, например сахарных, и для разделения жидких смесей. Испарение происходит в испарителях.
Аппараты, применяемые для опреснения воды, называют опреснителями, для повышения концентрации растворов - выпарными аппаратами.
Расход теплоты на испарение (в кДж)
Q=Wr (10.10)
где: W – масса испаренной жидкости, кг; r – теплота парообразования, кДж/кг.
Например, для испарения 1 кг воды при атмосферном давлении следует затратить 2264 кДж.
10.3. КОНДЕНСАЦИЯ
Конденсация - переход вещества из паро - или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Конденсация происходит в конденсаторах.
Процессы конденсации широко применяют в пищевой технологии для ожижения различных веществ.
Конденсацию можно проводить при отводе теплоты от конденсируемых веществ с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой, либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем - водой. В первом случае имеет место поверхностная конденсация, во втором - конденсация смешением.
Количество теплоты, выделяемое при конденсации, определяется по формуле Q=Dr, где D - масса конденсирующегося пара, кг; г - теплота конденсации, кДж/кг. Например, при конденсации 1 кг водяного пара при атмосферном давлении выделяется 2264 кДж.
Поверхностная конденсация осуществляется в теплообменниках, называемых поверхностными конденсаторами.
Рассмотрим процесс конденсации перегретого пара водой. Тепловой баланс процесса
где: D – массовый расход поступающего в конденсатор пара, кг/ч; i – удельная энтальпия пара, кДж/кг; св, ск – удельные теплоёмкости соответственно воды и конденсата, кДж/(кг*К); ,https://pandia.ru/text/78/268/images/image021_9.gif" width="27" height="31 src="> – потеря тепла в окружающую среду, кДж/ч.
Отсюда найдем массовый расход охлаждающей воды (в кг/ч)
(10.12)
Удельная энтальпия поступающего перегретого пара (в кДж/кг)
где: - удельная теплоёмкость перегретого пара, кДж/(кг*К); - температура поступающего перегретого пара, 0С; https://pandia.ru/text/78/268/images/image027_8.gif" width="12" height="23">Площадь поверхности теплопередачи конденсатора рассчитывают отдельно для трех зон: зоны F1 охлаждения перегретого пара, зоны F2 конденсации и зоны F3 охлаждения конденсата: Fобщ=F1 +F2+F3. Площадь поверхности каждой зоны определяется по основному уравнению теплопередачи (10.1).
Конденсация при смешении теплоносителей осуществляется в мокрых и сухих конденсаторах.
В мокрых конденсаторах охлаждающую воду, конденсат и неконденсирующиеся газы, например воздух, выводят из нижней части конденсатора с помощью мокровоздушного насоса.
В сухих конденсаторах охлаждающая вода вместе с конденсатом выводится из нижней части, а воздух отсасывается вакуум-насосом из верхней части конденсатора.
Мокрые и сухие конденсаторы делятся на прямоточные и противоточные.
10.4. ОХЛАЖДЕНИЕ ДО ОБЫКНОВЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
Охлаждение - процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты.
Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 15...20 °С в пищевой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты - холодильные рассолы, хладоны (фреоны), аммиак , диоксид углерода и др.
В этом разделе рассмотрим охлаждение до обыкновенных температур.
Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды.
Для охлаждения применяется обычная вода температурой 15...25 °С либо артезианская температурой 8...12 0С. С целью экономии свежей воды часто для охлаждения используют оборотную воду, охлажденную за счет ее испарения в градирнях. Оборотная вода имеет температуру, достигающую летом 30 °С.
Массовый расход воды на охлаждение W (в кг/ч) определяется из теплового баланса
(10.14)
(10.15)
где: G – массовый расход охлаждаемого теплоносителя, кг/ч; с, св – удельные теплоёмкости соответственно теплоносителя и воды, кДж/(кг*К); tн, tк - соответственно начальная и конечная температуры теплоносителя, 0С; , - соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, 0С; Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.
Охлаждение льдом применяют для охлаждения ряда продуктов, например мороженого, до температуры, близкой к нулю. Лед, отдавая теплоту, нагревается до 0 °С и плавится, отнимая теплоту от охлаждаемого продукта. Для определения продолжительности охлаждения используются экспериментальные данные.
При непосредственном охлаждении (например, жидкости льдом) со льдом вносится холод
где: L – масса льда, кг; r – теплота плавления льда, (кДж/кг); принимают r с учётом переохлаждения его на 1…3 0С равным 335 кДж/кг.
С охлаждаемой жидкостью вносится теплота в количестве
Qж=Gctн (10.17)
где: G – масса охлаждаемой жидкости, кг; с – удельная теплоёмкость жидкости, кДж/(кг*К); tн – начальная температура жидкости, 0С.
Примем конечную температуру охлаждаемой жидкости и воды, образовавшейся при таянии льда, tк . Тогда тепловой баланс можно записать так:
где: св – удельная теплоёмкость воды, кДж/(кг*К).
Отсюда расход льда
Охлаждение воздухом проводят естественным и искусственным способами. При естественном охлаждении горячий продукт охлаждается за счет потерь теплоты в окружающее пространство. Наиболее эффективно естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре воздуха.
Искусственное охлаждение воздухом применяют для охлаждения воды в градирнях, в которых охлаждаемая вода стекает сверху вниз навстречу подаваемому снизу воздуху. При этом охлаждение происходит не только за счет теплообмена, но в значительной степени за счет испарения части жидкости.
10.5. ОХЛАЖДЕНИЕ ДО ТЕМПЕРАТУР НИЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов при температурах ниже температуры окружающей среды (от +4 до - 40 °С) используют холодильники. Охлаждение в холодильниках осуществляется холодильными машинами.
Для получения холода в холодильных машинах применяют обратный круговой термодинамический цикл, состоящий из процессов сжатия газа, конденсации и испарения.
Согласно второму закону термодинамики охлаждение до температур ниже температуры окружающей среды, которое связано с переносом теплоты с низшего температурного уровня на высший, возможно только при затрате энергии. Такой перенос теплоты осуществляется по обратному циклу Карно.
Энергетический баланс прямого цикла Карно выражается уравнением
согласно которому при переходе теплоты с более высокого температурного уровня Т на более низкий температурный уровень Т 0 совершается работа L и на низком температурном уровне сохраняется теплота Q0.
Рис. 10.2 Обратный цикл Карно:
площадь L численно равна затраченной работе; Q0 – холоднопроизводительности
Рассмотрим обратный цикл Карло (рис. 10.2). Газообразное рабочее тело с температурой Т0 адиабатически сжимается с затратой работы, нагреваясь при этом до температуры Т. Этот процесс изображается вертикальной линией 1 - 2. После сжатия газ изотермически конденсируется при температуре Т (линия 2 - 3), отдавая теплоту Q, а затем образовавшаяся жидкость адиабатически расширяется. При расширении жидкость охлаждается до температуры Т0 (линия 3 - 4), производя при этом полезную работу, после чего испаряется при температуре Т0 (линия 4 - 1) при пониженном давлении, отнимая теплоту Q0 от охлаждаемого объекта.
Полезная работа газа согласно уравнению (10.20)
https://pandia.ru/text/78/268/images/image035_3.gif" width="197" height="24 src="> (10.22)
Подставляя значения Q и Q0 в предыдущее выражение, получим
https://pandia.ru/text/78/268/images/image037_3.gif" width="156" height="38 src="> (10.24)
показывает, какое количество теплоты Q0 можно перенести с низшего температурного уровня Т0 на высший Т за счет единицы затраченной работы L. Теплота Q0 называется холодопроизводительностью холодильной машины.
На рис. 10.3 приведены диаграммы состояния воздуха в координатах Т - s. Линии жидкости и пара сходятся в точке Ткр, которая является критической температурой. В области b - Ткр - а, лежащей левее кривой, находится жидкость. Область b-Ткр - с, лежащая под кривой, является областью сосуществования пара и жидкости, а область а - Ткр - с выше и правее кривой соответствует состоянию газа или перегретого пара.
Рис. 10.3. Т- S - диаграмма для воздуха
10.6. ПРОЦЕССЫ В ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИНАХ
Для искусственного охлаждения газов применяют следующие холодильные машины: паро - и газокомпрессионные, абсорбционные , пароводяные, эжекторные и термоэлектрические.
В холодильных машинах продукты могут охлаждаться непосредственно хладагентом либо с помощью промежуточных хладоносителей, которые отводят теплоту от объектов охлаждения, находящихся вне холодильной машины, и отдают ее хладагенту.
При использовании хладоносителей испаритель холодильной машины размещают в емкости, заполненной хладоносителем - рассолом. В результате испарения хладагента рассол охлаждается до заданной температуры и насосом подается в общий трубопровод, из которого насосом распределяется по охлаждающим элементам холодильника. Отработанный рассол собирается в общий трубопровод и вновь поступает на охлаждение в емкость.
Для охлаждения до температур не ниже - 15 °С используется раствор хлорида натрия.
В парогазокомпрессионных холодильных машинах используют аммиак, хладоны (фреоны), диоксид углерода. Принцип действия этих машин основан на сжатии хладагента компрессором и конденсации сжатого газа.
В холодильных машинах, работающих с аммиаком и хладонами, не требуется создавать высокие давления. В отличие от аммиака хладоны не имеют раздражающего носоглотку запаха и взрывобезопасны. Такие машины применяют для охлаждения до - 80 °С.
Схема парокомпрессионной машины представлена на рис. 10.4. Она состоит из компрессора Км, конденсатора, дросселирующего вентиля В, испарителя И. Хладагент, циркулирующий в машине (рис. 10.5), сжимается компрессором до рабочего давления по адиабате 1 -2 до состояния насыщения и конденсируется при температуре Т в конденсаторе (линия 2-3), который охлаждается водой. Вода при этом отводит от хладагента теплоту ) образовавшаяся жидкость поступает в дросселирующий вентиль, где дросселируется по изоэнтальпе 3 -4 (или 3"-4, если отсутствует переохлаждение) и испаряется затем в испарителе при температуре То (линия 4-1) за счет теплоты , отнимаемой от охлаждаемого объекта. Переохлаждение хладагента способствует увеличению отводимой теплоты .
Рис. 10.4. Схема парокомпрессионной холодильной машины:
Км - компрессор; К - конденсатор; В - дросселирующий вентиль; И - испаритель (состояние хладагента в точках 1...4 отображено на рис. 10.5 и 10.6)
Рис. 10.5. Цикл парокомпрессионной холодильной машины со сжатием влажного газа в компрессоре
Выше был описан процесс со сжатием в компрессоре влажного, пара, но в большинстве случаев холодильные машины работают со сжатием сухого пара (рис. 10.6). Процесс адиабатического сжатия пара в компрессоре отражается линией 1 - 2. Затем следуют охлаждение перегретого пара до состояния насыщения по изобаре 2 - 2", конденсация при температуре Т по изотерме 2 " - 3" , переохлаждение 3" - 3, дросселирование по изоэнтальпе 3 - 4 и испарение по изотерме 4 - 1.
Из сопоставления приведенных циклов работы парокомпрессионных машин следует, что термодинамический цикл с влажным паром ближе к циклу Карно и холодильный коэффициент для него выше. Однако при сжатии влажного пара в компрессоре возникает опасность гидравлического удара и снижается коэффициент подачи компрессора, что делает такой цикл менее выгодным по сравнению с циклом сжатия сухого пара. Коэффициент подачи компрессора, зависящий от степени сжатия р/р0, определяют на основании экспериментальных данных.
S
Рис. 10.6. Цикл парокомпрессионной холодильной машины со сжатием сухого пара
Удельную холодопроизводительность (в кДж/кг) можно определить из рис. 10.6
а массовый расход циркулирующего в холодильной машине хладагента (в кг/с) - по формуле
Холодильный коэффициент
(10.27)
В газокомпрессионных холодильных машинах (рис. 10.7) хладагентом служит воздух. В рабочем цикле машины (рис. 10.8) воздух не конденсируется и не испаряется. Воздух засасывается турбокомпрессором и сжимается по адиабате 1 -2. Затем охлаждается водой в холодильнике от температуры Т2 до Т3 по изобаре 2-3, охлажденный воздух расширяется адиабатически в детандере, при этом его температура снижается до Т4. Из детандера воздух поступает в теплообменник, в котором отнимает на низшем температурном уровне теплоту при постоянном давлении по изобаре 4-1. Эти машины характеризуются повышенным расходом энергии и применяются только для создания температур ниже - 100 °С.
Рис. 10.7. Схема газокомпрессионной холодильной ной машины:
Км - компрессор; Т - теплообменник; X - холодильник; Д - детандер (расширитель); точки 1...4 соответствуют точкам на диаграмме Т -S (рис. 10.8)
Рис. 10.8. Цикл газокомпрессионной холодильной машины
В абсорбционных холодильных машинах (рис. 10.9) хладагентом служит водоаммиачный раствор. Эти машины применяют для охлаждения до - 60 °С.
Рис. 10.9. Схема абсорбционной холодильной машины:
1 - кипятильник; 2 - конденсатор; 3, 8 - дросселирующие вентили; 4 - испаритель; 5 - абсорбер; 6 - насос; 7 - теплообменник
Машина состоит из кипятильника 1 , который обогревается водяным паром, конденсатора 2 , охлаждаемого водой, дросселирующего вентиля 3 , испарителя 4, абсорбера 5 , теплообменника 7 и насоса 6 (см. рис. 10.9). В кипятильнике из водоаммиачного раствора при нагревании выделяется большая часть газообразного аммиака, который под избыточным давлением поступает в конденсатор, где охлаждается водой и конденсируется при высокой температуре Т. При конденсации аммиак отдает теплоту DIV_ADBLOCK84">
Количество циркулирующего в машине водоаммиачного раствора можно определить из уравнений материального баланса термокомпрессора:
где: Ок, Оа - массовые расходы раствора, поступающего соответственно в кипятильник и абсорбер, кг/ч; хк, ха - концентрации раствора, поступающего соответственно в кипятильник и абсорбер, мас %; https://pandia.ru/text/78/268/images/image054_1.gif" width="225" height="25">
В пароводяных эжекторных холодильных машинах хладагент сжимается в паровом эжекторе, а пар конденсируется в конденсаторах смешения с водой или в поверхностных конденсаторах. Хладоносителем здесь служит рассол или чистая вода. С помощью рассолов достигается охлаждение до - 15 °С, а с помощью воды - до +5°С.
Схема пароводяной эжекторной холодильной машины приведена на рис. 10.10. Водяной пар высокого давления, поступающий в эжектор 2 , отсасывает пар из испарителя 1. В результате этого давление в испарителе снижается до 25Па и циркулирующий рассол охлаждается до -10...+ 15 °С. Охлажденный рассол откачивается насосом 5 и направляется на охлаждение объектов. Водяной пар из эжектора поступает в конденсатор смешения 3, где конденсируется и отводится в виде конденсатора мокровоздушным насосом 4.
Рис. 10.10. Схема пароводяной эжекторной холодильной машины:
1 - испаритель; 2 - эжектор; 3 - конденсатор смешения; 4, 5 - насосы.
Пароводяные эжекторные холодильные машины, работающие на воде, имеют высокий холодильный коэффициент благодаря небольшой разности температурных уровней. Такие машины просты, надежны, компактны и удобны в эксплуатации.
10.7. УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ
Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называют теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций, которое объясняется различным назначением аппаратов и условиями проведения процессов.
По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные (градирни, скрубберы, конденсаторы смешения и т. д.).
В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.
В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями. При омывании горячим теплоносителем поверхность нагревается за счет его теплоты, при омывании поверхности холодным теплоносителем она охлаждается, отдавая теплоту. Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горячего теплоносителя, а затем отдает ее холодному теплоносителю.
В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей.
Рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубные выпарные аппараты.
Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах.
Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (рис. 10.11,а) состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное.
Рис. 10.11 Схема вертикального одноходового кожухотрубного теплообменника с неподвижными трубными решетками и размещение труб в трубной решетке:
1 - корпус; 2 - трубная решетка; 3 - греющая труба; 4 - патрубок; 5 - днища; 6 - опорная лапа; 7 - болт; 8 - прокладка; 9 - обечайка
К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.
Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб.
Греющие трубы соединены с трубной решеткой сваркой либо развальцованы в ней (см. узел Б на рис. 10.11,а). Греющие трубы изготовляют из стали, меди или латуни.
Размещают греющие трубы в трубных решетках несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника. Шаг размещения труб зависит от внешнего диаметра трубы. При развальцовке труб в трубной решетке шаг определяют по формуле t=(l,3...1,5)dн.
Диаметр корпуса теплообменника
D= (1,3...1,5)(b -1)dн+4dн, (10.30)
где b - число труб, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника; b =2а-1 (здесь а - количество труб, расположенных по стороне наибольшего шестиугольника);
dн - наружный диаметр трубы.
Общее количество труб в теплообменнике
n=3a(а-1)+1 (10.31)
Длину труб при известном диаметре вычисляют в зависимости от площади поверхности теплообмена
С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, т. е. разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах.
На рис. 10.12 показан такой многоходовой теплообменник, в котором теплоноситель проходит трубное пространство за четыре хода. Этим достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. Целесообразно увеличивать скорость того из теплоносителей, который имеет большее термическое сопротивление.
Секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок (рис. 10.13).
Приведенные на рис. 10.11кожухотрубные теплообменники надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами 25...30°С. При более высоких разностях температур между корпусом и трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.
Простейшее устройство для компенсации температурных удлинений - линзовый компенсатор (рис. 10.14,а), который устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.
Теплообменники с U - образными греющими трубами (рис 10.14,б) имеют одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U - образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.
Рис. 10.12. Схема многоходового теплообменника (по трубному пространству):
1 - корпус; 2 - греющая труба; 3 - днище; 4 - перегородки
Рис. 10.13. Схема многоходового теплообменника (по межтрубному пространству):
1 - корпус; 2 - перегородки; 3 - греющая труба; 4 – днище
Кожухотрубные теплообменники используют для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. Жидкость пропускается по трубам, а пар - в межтрубном пространстве.
Преимущества кожухотрубных теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри (за исключением теплообменника с U-образными трубами).
Рис. 10.14. Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений:
а - с линзовым компенсатором: 1 - корпус; 2 - греющая труба; 3 - линзовый компенсатор; б - с U-образными греющими трубами: 1 - крышка; 2 - корпус; 3 - U-образные греющие трубы
Недостатки этих теплообменников: сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке, например из чугуна и ферросилида.
Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большего диаметра и расположенных внутри их труб меньшего диаметра (рис. 10.15). Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из теплоносителей - I - движется по внутренней трубе, а другой - II - по кольцевому каналу, образованному внутренней и внешней трубами. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы.
В этих теплообменниках достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи теплообменник составляют из нескольких секций, получая батарею.
Рис. 10.15. Теплообменник типа «труба в трубе»:
1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3 - колено; 4 - патрубок; I , II - теплоносители
Рис. 10.16. Погружной змеевиковый теплообменник:
1 - змеевик; 2 - корпус
Рис. 10.17. Оросительный теплообменник:
1 - распределительный желоб; 2 - труба; 3 - колено; 4 - стойка; 5 - сборный желоб
Преимущества теплообменников типа «труба в трубе»: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.
Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, высокой металлоемкости, трудности очистки межтрубного пространства.
Теплообменники типа «труба в трубе» применяют при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром.
Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой (рис. 10.16). Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготовляют с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.
Преимущество змеевиковых теплообменников - простота изготовления. В то же время такие теплообменники громоздки и трудно поддаются очистке. Погружные теплообменники применяют для охлаждения и нагрева конденсата, а также для конденсации паров.
Оросительные теплообменники используют для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они (рис. 10.17) из нескольких расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно перетекает в верхнюю трубу теплообменника и на расположенные ниже трубы. Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплопередачи в таких теплообменниках невелик.
Оросительные теплообменники просты по устройству, но металлоемки. Обычно их устанавливают на открытом воздухе.
Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рис. 10.18). Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов предусмотрены патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.
Рис. 10.18. Спиральный теплообменник:
1 - крышка; 2 - перегородка; 3,4 - металлические листы
Такие теплообменники используют для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому их применяют для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например для охлаждения бражки на спиртоперегонных заводах.
Спиральные теплообменники компактны, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей.
Недостаток спиральных теплообменников - сложность изготовления, ремонта и очистки.
Пластинчатые теплообменники (рис. 10.19,а) монтируют на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.
Принцип действия пластинчатого теплообменника показан на рис. 10.19,б. Как видно из этой схемы, теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.
|
|
Рис. 10.19 Пластинчатый теплообменник (а) и принцип его действия (б):
1 – верхний несущий брус; 2 – неподвижная плита; 3 – пластина; 4 – подвижная плита; 5 – нижний несущий брус; 6 – направляющая стяжная шпилька; 7 - стойка
Разновидность описанного пластинчатого теплообменника - коробчатый конденсатор, который представляет собой пластинчатый теплообменник, помещенный в коробчатый паросборник (рис. 10.20). Пакет пластин лежит на боку, а верхние кромки чередующихся пластин не имеют прокладок, чтобы обеспечить вход пара, который конденсируется охладителем, протекающим по «слоистой» системе закрытых каналов.
Пластинчатые теплообменники используют в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации (например, молока) и стерилизации (мелассы). Эти теплообменники можно собирать в виде многоступенчатых агрегатов.
Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин.
Значительная эффективность обусловлена большой величиной отношения площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника. Это достигается благодаря высоким скоростям теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкому термическому сопротивлению стенок пластин.
Эти теплообменники изготовляют в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.
К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами.
Рис. 10.20 Принцип действия коробчатого конденсатора
Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи.
Рис. 10.21. Секция калорифера:
1 - коробка; 2 - ребро; 3 - труба
Для оребрения поверхности используют стальные круглые или прямоугольные шайбы, которые приваривает в основном к трубам. В трубчатых теплообменниках применяют поперечные или продольные ребра.
Примером оребренного теплообменника может служить калорифер, используемый для нагрева воздуха греющим водяным паром. На рис. 10.21 показана секция парового калорифера. Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, который омывает пластины калорифера. Коэффициент теплоотдачи со стороны насыщенного водяного пара к стенке трубы α1=12 000 Вт/ (м2*К), а от стенки к воздуху α2=12...50 Вт/(м2*К). Оребрение внешней поверхности труб значительно увеличивает количество теплоты, переданной от пара к воздуху.
В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса теплоносителем. На рис. 10.22 представлен аппарат с рубашкой, которая приварена к стенкам аппарата. В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате. Иногда вместо сплошной рубашки к корпусу аппарата приваривают змеевик. На рис. 10.23 показаны варианты приваренных к корпусу аппарата змеевиков.
Рис. 10.22. Аппарат с рубашкой:
1 - корпус; 2 – рубашка
|
|
Рис. 10.23. Варианты приварных змеевиков
Регенеративные теплообменники состоят из двух секций, в одной из которых теплота передается от теплоносителя промежуточному материалу, в другой - от промежуточного материала технологическому газу. Примером регенеративной теплообменной установки является установка непрерывного действия с циркулирующим зернистым материалом (рис. 10.24), который выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топочных газов к холодным технологическим. Установка состоит из двух теплообменников, каждый из которых представляет собой шахту с движущимся сверху вниз сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого теплообменника имеется газораспределительное устройство для равномерного распределения газового потока по сечению теплообменника. Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит непрерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый материал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную линию, по которой воздухом подается в бункер - сепаратор, где частицы осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.
Рис. 10.24. Установка с циркулирующим зернистым материалом:
1,2 - теплообменники; 3 - шлюзовой затвор; 4 - газодувка; 5 - пневмотранспортная линия; 6 - распределитель газа; 7 - сепаратор
Рис. 10.25. Прямоточный конденсатор:
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - распыливающее сопло; 4 - мокровоздушный насос; 5 - штуцер
Смесительные теплообменники бывают мокрого и сухого типов. Теплота в них передается от одного теплоносителя к другому при их смешении.
Мокрый прямоточный конденсатор (рис. 10.25) предназначен для конденсации пара водой. Охлаждающая вода вводится в конденсатор через сопла. Распыление воды значительно увеличивает площадь поверхности теплообмена между паром и водой. При взаимодействии капелек воды с паром пар конденсируется. Конденсат, вода и несконденсировавшиеся газы откачиваются из конденсатора мокровоздушным насосом.
Тепловой баланс процесса выражается уравнением
Di+Wcвtв. н.=(D+W)cвt в. к.,
(10.33)
где: D - массовый расход конденсирующегося пара, кг/ч; i - энтальпия конденсирующегося пара, кДж/кг; W - массовый расход охлаждающей воды, кг/ч; св - теплоемкость воды, кДж/(кг*К); tв. н и t в. к - соответственно начальная и конечная температуры воды, ºС.
Считают, что 1 кг воды содержит 0,000025 кг воздуха и на 1 кг конденсирующего пара приходится в среднем 0,01 кг воздуха, проникающего в конденсатор через неплотности.
Массовый расход воздуха (в кг/ч), отсасываемого из конденсатора смешения,
GB=25·106(D+W)+0,01D, (10.34)
а его объем (в м3) определяют по уравнению состояния:
VB=288GB(273+tB)/pB, (10.35)
где: 288 - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*К); tB - температура отсасываемого из конденсатора воздуха, 0С; рв=р-рп - парциальное давление воздуха в конденсаторе, Н/м2 (здесь рп - парциальное давление пара в отсасываемом воздухе, которое принимается равным давлению насыщенного пара при температуре tB.
Температуру воздуха принимают равной температуре охлаждающей воды на выходе из конденсатора: tB=tB K.
В противоточном сухом конденсаторе смешения (рис. 10.26) взаимодействие пара и охлаждающей воды происходит в противотоке. Охлаждающая вода поступает на верхнюю перфорированную тарелку конденсатора, а пар - под нижнюю тарелку. Вода протекает с тарелки на тарелку в виде тонких струй через отверстия и борта. Взаимодействие пара с жидкостью происходит в межтарельчатом объеме конденсатора. Образовавшийся в результате конденсации пара конденсат вместе с водой выводится через барометрическую трубу, конец которой опущен в колодец, а воздух отсасывается через ловушку вакуум-насосом. В связи с этим такие конденсаторы иногда называют барометрическими.
Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под вакуумом. Обычно абсолютное давление в них составляет 0,01...0,02 МПа.
Для уравновешивания разности давлений в барометрическом конденсаторе и атмосферного служит столб жидкости, находящейся в барометрической трубе.
Высота (в м) барометрической трубы
Hтр=hз+hд+0,5, (10.36)
где hз - высота столба жидкости, уравновешивающего разность давлений в конденсаторе и атмосферного, м; hз =103,3 В (здесь В- разрежение в конденсаторе, МПа); hд - высота столба жидкости, необходимая для создания динамического напора, который обеспечивает движение жидкости в трубе; hд =(υ2 /2g)(2,5+λH тр /d). Здесь υ - скорость движения жидкости по трубе, принимается равной 1…2 м/с; λ - коэффициент гидравлического сопротивления;
- диаметр трубы, м;
D и W - массовые расходы пара и воды, поступающих в конденсатор, кг/ч; 0,5 - высота, предотвращающая заливание водой штуцера для ввода пара, м.
Рис. 10.26. Барометрический конденсатор:
1 - корпус; 2 - тарелка; 3 - барометрическая труба; 4 - колодец; 3 - ловушка
Размеры барометрического конденсатора зависят от диаметра барометрической трубы и определяются по соответствующим справочным материалам.
Для выбора вакуум-насоса необходимо знать количество воздуха, содержащегося в паре и воде, количество воздуха, подсасываемого в конденсатор и коммуникации через неплотности уплотнений.
Расход воздуха рассчитывают по уравнениям (10.34) и (10.35).
Температура воздуха
tв = tв н +0,1(tв к - tв н)+4
10.8. ПОДБОР ТЕПЛООБМЕННИКОВ
При выборе конструкции теплообменного аппарата следует исходить из следующего: аппарат должен соответствовать технологическому процессу, быть высокоэффективным (производительным), экономичным и надежным в работе, иметь низкую металлоемкость; материал теплообменника должен быть коррозиестойким в рабочих средах.
Высокие значения коэффициентов теплопередачи достигаются, когда теплоносители движутся через теплообменник с большими скоростями. Для достижения высокого коэффициента теплопередачи поверхность теплообмена должна быть чистой. При увеличении скорости одного из теплоносителей коэффициент теплопередачи заметно повышается лишь в том случае, если коэффициент теплоотдачи со стороны другого теплоносителя достаточно высок, а термические сопротивления стенки и загрязнений невелики. Так, если коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве значительно ниже, чем в трубах, то возрастание скорости теплоносителя в трубах почти не влияет на величину коэффициента теплопередачи; в этом случае следует увеличить коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве, например путем установки в нем перегородок.
При решении вопроса о том, какой из теплоносителей пропускать по трубам, какой - с наружной стороны труб, надо придерживаться следующих правил:
для достижения большего коэффициента теплопередачи теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи следует пропускать по трубам;
теплоноситель, оказывающий коррозионное действие на аппаратуру, целесообразно пропускать по трубам, так как в этом случае применение антикоррозийного материала необходимо только для труб, решеток и камер, кожух не может быть сделан из обычного материала;
для уменьшения потерь теплоты теплоноситель с высокой температурой целесообразно пропускать по трубам;
теплоноситель, из которого выделяются осадки, рекомендуется пропускать с той стороны поверхности теплообмена, которую легче очищать;
теплоноситель с высоким давлением следует направлять в трубное пространство, чтобы корпус теплообменника не находился под давлением.
Конструкцию теплообменника выбирают на основании технико-экономического, расчета. При этом сопоставляют капитальные затраты на изготовление и годовые эксплуатационные расходы. В ряде случаев идут на увеличение капитальных затрат, если они быстро окупаются за счет экономии эксплуатационных затрат.
Когда проектируют теплообменник для технологического процесса, задача расчета заключается в определении площади его теплообменной поверхности и габаритных размеров аппарата.
Расчет начинают с составления теплового баланса теплообменника, из которого определяют количество переданной теплоты. Например, тепловой баланс для нагрева теплоносителя от температуры tH до температуры tк насыщенным водяным паром (рис. 10.27) запишется так:
GctH+Di"=GctK+Di"+Qп;
Q=Gc(tK-tH)+Qп=D(i"-i")+Qп.
Расход греющего пара D=Q/(i"-i").
Коэффициент теплопередачи определяют по формуле (3.1.47), а входящие в эту формулу коэффициенты теплоотдачи α1 и α2 - по соответствующим критериальным уравнениям.
Среднюю движущую силу рассчитывают по формулам (3.1.53) и (3.1.54).
Площадь поверхности теплопередачи определяют по основному уравнению теплопередачи (3.1.3).
Количество труб в теплообменнике n=4F/(πd2вl), где dB - внешний диаметр труб, м; l - длина труб, м. Если количество труб вычисляют по массовому расходу и скорости теплоносителя в трубах, то по этому уравнению рассчитывают длину труб.
Трубки в трубной решетке кожухотрубного теплообменника размещаются в шахматном порядке либо по концентрическим окружностям.
Рис. 10.27. К составлению материального баланса
Диаметр кожухотрубного теплообменника определяют по уравнению (10.30).
Гидравлическое сопротивление теплообменника (в Н/м2 или Па) находят по формуле Дарси - Вейсбаха
где: λ - коэффициент трения; l - длина трубы, м; d - диаметр трубы, м; - сумма коэффициентов местных сопротивлений; 18. На какие типы делятся рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции? 19. Как устроен одноходовой кожухотрубный теплообменник? 20. За счет чего достигается интенсификация в многоходовых кожухотрубных теплообменниках? 21. Какие преимущества и недостатки присущи кожухотрубным теплообменникам? 22. Какой из теплоносителей пропускают по трубам, а какой - в межтрубном пространстве? 23. В каких случаях применяют теплообменники типа «труба в трубе»? Какие преимущества и недостатки присущи этим теплообменникам? 24. Как устроен спиральный теплообменник? Какими преимуществами и недостатками он обладает? 25. Как устроен пластинчатый теплообменник? Какие преимущества и недостатки присущи пластинчатым теплообменникам? 26. В каких случаях применяют теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена? 27. Приведите примеры регенеративных теплообменников. 28. Какие теплообменники по принципу действия относятся к смесительным? 29. Как устроен и работает мокрый прямоточный конденсатор? От чего зависят расход охлаждающей воды и объем воздуха, отсасываемого из конденсатора? 30. Как устроен и работает противоточный сухой конденсатор смешения? 31. От каких величин зависит высота барометрической трубы? В чем ее назначение? 32. Из чего исходят при выборе конструкции теплообменных аппаратов? 33. В чем заключается конструктивный расчет теплообменника? 34. Чем различаются конструктивный и поверочный расчеты теплообменников?
В предыдущем параграфе мы установили, что при работе против сил трения трущиеся тела нагреваются. Было сделано много различных опытов с целью точно измерить то изменение температуры, которое получается ври совершении определенной работы. Такие опыты в середине XIX века одним из первых осуществил Джоуль. Его прибор изображен на рис. 365. Разрез прибора показан в упрощенном виде на рис. 366. В сосуде с водой вращаются лопасти 1, приводимые в движение с помощью груза массы , который подвешен на шнуре, перекинутом через блок 2. При опускании груза лопасти вращаются, проходя при этом сквозь отверстия в перегородках 3, и, увлекая воду, вызывают трение одних слоев воды о другие. При трении вода и сосуд нагреваются; никаких других изменений ни вода, ни другие части прибора не испытывают. При опускании груза с высоты действующая на него сила тяжести совершает работу, равную . В начале и в конце опыта все части прибора - груз, лопасти, вода - находятся в покое, так что в результате опускания груза кинетическая энергия всех этих тел не изменяется.
Рис. 365. Прибор Джоуля
Рис. 366. Разрез прибора Джоуля
Таким образом, вся совершенная работа вызывает только нагревание воды, лопастей и других частей прибора. Это дает возможность подсчитать, какую работу нужно затратить, чтобы повысить температуру единицы массы воды на один кельвин. При этом Джоуль учел, что кроме воды нагреваются также и лопасти и сосуд. Как учитывается это нагревание, мы рассмотрим далее.
Опыты Джоуля повторялись неоднократно, причем условия опыта подвергались разнообразным изменениям. Менялось количество наливавшейся воды, масса грузов и высота их поднятия, моменты действующих сил и т. д. При всех этих измерениях всегда получался один и тот же результат: для нагревания одного килограмма воды на один кельвин надо произвести работу, равную 4,18 килоджоуля.
Кроме описанного опыта, и самим Джоулем и другими исследователями было выполнено много других опытов, также имевших целью установить связь между изменением температуры и совершенной работой. Наблюдалось нагревание газа, возникающее за счет работы, совершенной при сжатии; определялось разогревание трущихся друг о друга металлических дисков при одновременном определении работы, совершенной при преодолении трения, и т. д. Сравнение результатов этих опытов представляет некоторую трудность, так как в разных опытах нагреванию подвергались весьма различные тела.
Мы увидим дальше (§209), каким образом можно каждый раз свести полученное нагревание к нагреванию одного и того же вещества, например воды. Если произвести такое сравнение, то из всех описанных и многих аналогичных опытов можно вывести крайне важное заключение: если при исчезновении механической энергии не происходит никаких изменений в состоянии тел (например, плавления, испарения и т. д.), кроме изменения температуры, то за счет энергии 4,18 килоджоуля температура одного килограмма воды повышается всегда на один кельвин.
Таким образом, опыты Джоуля дают подтверждение закона сохранения энергии в расширенном смысле. При всех движениях, как происходящих без трения, так и сопровождающихся трением, сумма кинетической, потенциальной и внутренней энергий всех участвующих тел не изменяется. Эту сумму мы будем называть полной энергией тел или просто их энергией.
Рассмотрим пример. Пусть над свинцовой пластинкой висит на некоторой высоте свинцовый шарик. Энергия этой системы состоит из: а) потенциальной энергии шарика; б) внутренней энергии шарика и пластинки. Пусть теперь шарик упадет на пластинку и своим ударом вызовет нагревание. Потенциальная энергия шарика уменьшится, зато увеличится внутренняя энергия пластинки и шарика. Полная энергия остается неизменной.
203.1. В приборе Джоуля, как это видно на рис. 365 и 366, скорость опускающихся грузов во много раз меньше скорости лопаток. Какая цель преследовалась таким устройством?
