Процесы и апараты

Вступ

      Любий технологічний процес, не  дивлячись на різність методів,  являє собою ряд взаємопов’язаних типових технологічних стадій, які протікають в апаратурі даного класу. Раціональне й ефективне використання теплової енергії на сьогодні є важливим фактором у виборі стратегії технічного і технологічного переозброєння підприємства.

      Якість, ціна, надійність, економічність  і доступність сервісного обслуговування  – ось ті критерії, на які  орієнтується більшість організацій,  які приймають рішення про  закупівлю необхідного обладнання. У цьому зв’язку не викликає  сумніву актуальність високоякісних  теплообмінних кожухотрубчатих  апаратів, які знаходять наймаштабніше  використання у харчовій та  хімічній промисловостях, енергетиці.

      Найважливішим критерієм вибору  апарата є його економічна  обумовленість. Економія теплоресурсів  дозволяє знизити ціну на продукцію  яка виготовляється, що є дуже  важливим в умовах жорсткої  конкуренції.

      Процеси в харчовій промисловості  в більшості складні і часто  являють собою спільність гідродинамічних,  теплових, масообмінних, біохімічних  і механічних процесів.

      Розвиток наукових основ і  техніки теплообміну пов'язаний  з іменами багатьох вітчизняних  і зарубіжних учених і інженерів.

      Апарати, використовуючі тепло,  які використовуються в харчовій  промисловості для проведення  теплообмінних процесів, називаються  теплообмінниками. Теплообмінники  характеризуються різновидам конструкцій,  яке пояснюється різним призначенням  апаратів та умовами проведення  процесів.

 

1. Теоретична частина

1.1 Вибір конструкції  апарата

Теплообміном  називається процес перенесення  теплоти, що відбувається між тілами, що мають різну температуру. При  цьому теплота, переходить мимовільно від більш нагрітого до менш нагрітого  тіла. В результаті передачі теплоти  відбуваються: нагрівання — охолоджування, паротворення — конденсація, плавлення — кристалізація. Теплообмін має важливе значення для проведення процесів випаровування, сушки, перегонки і ін..

Тіла, які беруть участь в теплообміні називаються  теплоносіями.

Теплообмінні  процеси можуть відбуватися тільки за наявності різниці температур між теплоносіями, тобто різниця  температур — рушійна сила теплообміну.

Розрізняють стаціонарні  і нестаціонарні теплообмінні процеси. В періодично діючих апаратах при  нагріванні або охолоджуванні, де температури  міняються в часі, здійснюються нестаціонарні  процеси.

В непреривнодіючих апаратах, де температури в різних точках апарату не змінюються в часі, протікають стаціонарні процеси.

Теплота від одного тіла до іншого може передаватися теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням.

Теплопровідність  — це процес передачі теплоти усередині  тіла від одних частинок до інших  унаслідок їх руху і взаємного  зіткнення. Передача тільки за допомогою  теплопровідності може відбуватися  лише в твердих тілах.

Конвекція — це процес розповсюдження теплоти в  результаті руху і переміщення частинок рідин або газів. Перенесення  теплоти можливе в умовах природної  конвекції, при якій рух частинок викликаний різницею густини в різних точках об'єму, унаслідок різниці  температур в цих крапках, і примусової

 

 

 конвекції при переміщенні всієї маси газу або рідини.

Перенесення теплоти  від поверхні твердого тіла до газоподібного  або рідкого середовища називається  конвективною тепловіддачею або просто тепловіддачею.

Процес передачі теплоти від гарячої рідини (газу), до холодної через стінку називається  теплопередачею.

При теплообміні  теплота, що віддається більш нагрітим теплоносієм (Q1), затрачується на нагрів більш холодного теплоносія (Q2). Нехтуючи втратами теплоти, рівняння теплового  балансу можна записати у вигляді:

Q = Q1 = Q2                                                                               (1.1)        

де Q — теплове  навантаження апарату, Вт.

Якщо теплообмін здійснюється при зміні агрегатного  стану теплоносія (конденсація пари, випаровування рідини та ін.), то в тепловому балансі повинні бути враховані теплові ефекти, супроводжуючі процес.

Тепловим потоком  називається кількість теплоти (в  Дж), передана в одиницю часу (в  с), і виражається в Дж/с, тобто  у ватах (Вт). Величина теплового потоку залежить від температурних умов поля і від фізичних властивостей речовини.

При проектуванні теплообмінних апаратів тепловой розрахунок зводиться до визначення необхідної поверхні теплообміна F, (м²), за основним рівнянням теплопередачі:

,                                                                                   (1.2)

де Q – теплова загрузка теплообмінника, (Вт);

Dt_ср – середня різниця температур, (⁰С);

К – коефіцієнт теплопередачі, . 

Коефіцієнт теплопровідності показує кількість теплоти, що проходить  унаслідок теплопровідності в одиницю  часу через одиницю поверхні теплообміну при різниці температур між стінками на одиницю товщини стінки.

Для циліндричної стінки поверхня її в деякому перетині, що відповідає поточному радіусу  r, складає F = 2rl. Підставивши значення F в рівняння Фурье з урахуванням того, що rн/rв = dH/dв, і провівши ряд перетворень, отримаємо:

Q = 2π/τ(t1-t2)|(ln dH/dв)                                                            (1.3)                          

Це рівняння показує, що по товщині циліндричної стінки температури змінюються по логарифмічному закону.

Теплове навантаження теплообмінника визначають з рівняння теплового балансу. Якщо знехтувати втратами тепла до навколишнього  середовища, які зазвичай не перевищують 5%, то рівняння теплового балансу  буде мати вигляд:

Q=Q₁=Q₂,                                                                               (1.4)

де Q1 і Q2 - кількість тепла, яке віддав гарячий теплоносій і яке передане холодного теплоносія відповідно, (Вт). 

Під час теплообміну  між теплоносіями зменшується ентальпія (тепломісткість) гарячого теплоносія і збільшується ентальпія холодного  теплоносія. Рівняння теплового балансу  у розгорнутому вигляді:

Q = G1 (i1п-i1к) = G2 (i2к-i2п),                                                (1.5)

де G1 і G2 - витрата гарячого і холодного теплоносія;

i1п, i1к - початкова  і кінцева ентальпії гарячого  теплоносія,;

i2п, i2к - початкова  і кінцева ентальпії холодного  теплоносія.

Якщо під час  теплообміну не змінюється агрегатний стан теплоносіїв, ентальпії останніх прирівнюють твору теплоємності на температуру і тоді рівняння теплового  балансу буде мати вигляд:

Q = G1c1 (t1п-t1к) = G2c2 (t2к-t2п),                                          (1.6)

де c1 і с2 - середні питомі теплоємності гарячого та холодного теплоносіїв відповідно,;

t1п, t1к - температури  гарячого теплоносія на вході  в апарат і на виході з  нього, (0С);

t2к, t2п - температури  холодного теплоносія на виході  з апарату і на вході в  нього, (0С).

У разі використання в якості гарячого теплоносія насиченої  водяної пари величин i1п,, і i1к,, будуть відповідно ентальпії пари, яка надходить, і конденсату, який виходить з теплообмінника. Рівняння теплового балансу, припускаючи, що віддача тепла при охолодженні пари до температури конденсації і при охолодженні конденсату незначна:

Q=G_гр(i_1п-i_1к) =G₂c₂(t_2к-t_2п),                                                  (1.7)

де Gгр - витрата  пари, що гріє, .

Коефіцієнт теплопередачі  К, , для плоскої теплообмінної поверхні:     ,                                                                        (1.8)

де a₁, a₂ - оефіцієнти тепловіддачі відповідно для гарячого і холодного теплоносія, .

Коефіцієнт тепловіддачі показує, яка кількість теплоти  передається від теплоносія до 1 м2 поверхні стінки (або від стінки поверхнею 1 м2 до теплоносія) в одиницю часу при різниці температур між теплоносієм і стінкою 1 град.

 d_ст – товщина теплообмінної стінки, (м);

l_ст – коефіцієнт теплопровідності матеріала стінки,   

Коефіцієнти тепловіддачі визначають з критерію Нуссельта, а останній знаходять за різними критеріальними рівнянь в залежності від конкретних умов теплообміну. У разі розвиненого  турбулентного руху рідин у трубах і каналах (Re> 10000):

Nu=                 (1.9) 

Для критеріїв Nu, Re і Pr за визначальну  температуру приймається середня  температура рідини, а для критерію Prст - температура стінки. За лінійними  розмірами в критеріях Nu і Re береться внутрішній діаметр труби або  еквівалентний діаметр каналу. При  ламінарному русі (Re <2300):

Nu=               (1.10)

Для повітряного теплоносія формули і відповідно:

Nu=0,018Re^0,8;                                 

Nu=0,13Re^0,33Gr^0,1.               

Для випадку руху теплоносія в міжтрубному просторі кожухотрубних  теплообмінників:

Nu=С(d_еRe)^0,6Pr^0,33,                                                                     (1.11)

,                                                                 (1.12)

де  f - площина поперечного перерізу потоку, (м2);

П - периметр перетину потоку,(М);

D - внутрішній діаметр  кожуха, (м);

d - зовнішній діаметр труби, (м);

z - кількість ходів по  трубному простору;

n - кількість труб в  одному ході. 

Середню розмірність температур , (⁰С), у випадку прямотечії і протитечії визначають як середньо логарифмічну різність: ,                              

Якщо <2, то среднелогаріфміческую різниця можна замінити без помітної похибки середньоарифметичної різницею:

.                                                                    (1.13)

Для апаратів з  перехресним і змішаним перебігом  теплоносіїв середня різниця  температур перебуває шляхом множення значення среднелогаріфміческого температурного напору досягається при протівотечейной  схемою руху теплоносіїв на поправочний  коефіцієнт, який визначається за довідниками.

Отже, теплообмінники, в широкому сенсі, пристрої, що забезпечують теплопередачу від нагрітого  носія до носієві з меншою температурою.

Різновидів теплообмінних  апаратів існує безліч. Припустимо, в поверхневих теплообмінниках нагріте середовище і сам теплоносій розділені дуже тонкою стінкою. Прикладом може служити автомобільний радіатор, в якому вода системи охолодження двигуна і холодне атмосферне повітря розділені по різні сторони стінок решітки з тонких мідних або латунних радіаторних трубок. Потоки гріючих і нагрітих речовин наводяться в прямий контакт один з одним у змішуючих теплообмінниках. В якості прикладу можна використовувати струменний конденсатор, в якому для конденсації водяного пара використовується розприскуюча вода. У жаротрубних теплообмінних апаратах після згоряння палива з’являється потік гарячих газів. Типовий приклад - у парових та побутових котлах водяного опалення з топковим пристроєм.

Існує також класифікація теплообмінників, заснована на розходженні їх конструкцій. Досить розповсюджений теплообмінні пристрої кожухотрубного типу. Не менш популярні теплообмінники з розвиненою поверхнею: пластинчасті або ребристі. Площа поверхні теплообміну тут значно збільшується за рахунок застосування поперечних ребер. Тим не менш, поверхня ребер менш ефективна щодо теплопередачі, ніж власна поверхня труб. Але грамотно спроектований ребристий теплообмінний апарат більш компактний, ніж такий самий апарат без поперечних ребер. Таким чином, він має більш високу інтенсивність теплопередачі, що припадає на одиницю об’єму.

В залежності від  призначення, виділяються види теплообмінників: кожухотрубні теплообмінники (їх основними  елементами є пучки труб, зібрані  в трубній решітці та поміщені в корпус, патрубки і кінці труб кріпляться в трубних решітках розвальцовкою, зварюванням, пайкою), пластинчасті теплообмінники (складаються з окремих пластин , розмежованих гумовими прокладками, двох кінцевих камер, рами і кріпильних болтів), виті (поверхня нагріву комплектується з ряду концентричних змійовиків, укладених в кожух і закріплених у визначених голівках, теплоносії пересуваються по трубному і міжтрубному простору), спіральні (поверхня нагріву утворюється двома тонкими металевими листами, привареними до розділювача (Керн) і згорнуті у вигляді спіралі), повітряні, водяні теплообмінники, виробляються навіть басейн-теплообмінники.

2. Вибір конструкції теплообмінника

Конкретне завдання нагрівання або охолодження даного продукту може бути вирішене за допомогою різних теплообмінників. Конструкцію теплообмінника варто вибирати, виходячи з таких основних вимог, що пред'являються до теплообмінних апаратів.