Процессы нагревания, охлаждения и конденсации. Конденсаторы

Процесс нагревания в пищевых технологиях применяют для ускорения массообменных процессов и химических реакций. Для нагревания используются различные теплоносители: водяной пар, топочные газы, воздух, электромагнитное излучение (СВЧ, ИК-нагрев, индуктивный нагрев).

Наиболее широко распространено нагревание сред насыщенным или перегретым водяным паром давлением до 1.2 МПа до температуры не более 190⁰С. Использование более высокого давления пара, при котором можно поднять температуру, экономически нецелесообразно, поскольку влечет за собой увеличение металлоемкости аппаратов и трубопроводной арматуры. В процессе нагревания перегретый пар охлаждается, отдавая тепло, и конденсируется.

Конденсация – это процесс сжижения пара. Этот процесс используется в пищевых производствах для создания разрежения в выпарных аппаратах, для использования теплоты конденсации при нагреве жидкости в теплообменниках с паровым обогревом, в холодильных, сушильных и других установках.

Нагревание паром имеет следующие преимущества перед другими способами нагрева:

- высокая удельная теплота парообразования насыщенного водяного пара (1990…2260 кДж/кг);

- высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара (5000…18000 Вт/(К·м²);

- равномерность обогрева поверхности.

Различают два способа нагрева нагревания – острым и глухим паром. При нагревании острым паром пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость (барботируется), в которой конденсируется с отдачей тепла. Конденсат при этом смешивается с жидкостью. При этом происходит разбавление жидкости конденсатом. Данный способ находит применение для нагревания воды и водных растворов.

Нагревание глухим паром осуществляется без разбавления нагреваемой жидкости образующимся конденсатом, т.е. в этом случае нагрев происходит через стенку, например в аппаратах с рубашками, змеевиками и пр. Дл яотвода конденсата в таких конструкциях предусматривают специальные устройства, называемые конденсатоотводчиками.

Нагревание топочными газами позволяет обеспечить температуру нагрева среды от 180 до 1000⁰С. Топочные газы образуются при сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива в топках или печах пищевых производств. К недостаткам данного способа нагрева относят небольшой коэффициент теплоотдачи от топочного газа к стенкам аппарата, трудность регулирования температуры, пожароопасность. Устранение данных недостатков в какой-то степени может быть устранено использованием промежуточных теплоносителей, которые предварительно нагреваются топочными газами, а затем отдают запасенное тепло обрабатываемой среде.

Нагревание с использованием электромагнитного поля позволяет обеспечить широкий диапазон температур и обладает большей универсальностью и экономичностью по сравнению с другими видами теплоносителей.

Процессы охлаждения широко используются в пищевых технологиях. В качестве хладагентов используются воздух, вода, аммиак, озонобезопасные фреоны. Основным элементом холодильных установок являются компрессоры для сжатия воздуха или другого газа, которые подразделяют в зависимости от конструкции рабочих органов на центробежные (турбокомпрессоры), поршневые, мембранные, ротационные и винтовые. В пищевых производствах наибольшее распространение получили поршневые компрессоры.

Принципиальная схема компрессорного холодильного аппарата приведена на рис. 4.16.

 

 

Рис.4.16 Схема работы компрессорного холодильного аппарата

1 – камера, 2 – холодильная машина, 3 – окружающая среда

От охлаждаемого продукта, находящегося в камере с температурой Т₀, холодильный агент отнимает тепло q₀ и переносит его для теплообмена с окружающей средой, имеющей более высокую температуру Т. Обратный процесс холодильного цикла требует совершения работы холодильной машиной. Теплота эквивалентная работе А воспринимается хладагентом и вместе с теплотой q₀ передается окружающей среде, q = q₀ + A, (кДж/кг).

Эффективность холодильного аппарата характеризуется холодильным коэффициентом Е=Т₀/(Т-Т₀), где Т₀ – температура охлаждаемого продукта, Т – температура охлаждающей среды.

На рис. 4.17 в качестве примера приведена схема непосредственного охлаждения холодильной камеры хладагентом. Положительным моментом данного способа охлаждения продуктов является небольшой расход энергии при достаточно большом значении холодильного коэффициента Е и незначительная занимаемая площадь под холодильный агрегат.. Недостатком данного способа является возможная порча продуктов в случае утечки хладагента.

 

 

Рис. 4.17. Схема непосредственного охлаждения камеры

1 – компрессор, 2 – конденсатор, 3 – вентиль, 4 – испаритель

На рис. 4.18 приведена схема компрессорно-конденсаторного агрегата холодильной машины модели МХВ5-1-2 с воздушным конденсатором.

 

Рис. 4.18 Схема компрессорно-конденсаторного агрегата

1 – компрессор. 2 – конденсатор, 3 – вентилятор, 4 – ресивер, 5 - отделитель жидкости, 6, 7 – датчики давления

 

В табл. 4.1 приведены данные потребления холода для обработки одной тонны продукта

Таблица 4.1. Потребление энергии на охлаждение и хранение продуктов

Вид продукта	Температура, град. С	Температура хранения	Потребление холода, кВт
Начальная	Конечная
Мясо (туши)	+35	-18
Мясо разделанное	+35	-18
Птица	+20	-18
Рыба	+15	-25
Овощи и фрукты	+25	-18
Хранение продуктов
Мясо, птица, рыба			-18	0,12…0,2
Овощи и фрукты			0…-5	0,16…0,2

 

Процесс конденсации. При конденсации паров на поверхности нагрева образуются отдельные капли или сплошная пленка конденсата. В зависимости от геометрических и режимных условий пленка конденсата стекает в разных гидродинамических режимах: ламинарном, переходном, турбулентном или смешанном. Эта пленка является основным препятствием для теплового потока, поэтому интенсивность теплоотдачи зависит от толщины и режима течения пленки.

Основные закономерности теплоотдачи при конденсации пара и ламинарном течении пленки определяются выражением , где - для вертикальной поверхности; - для горизонтальных труб; - критерий фазового превращения Кутателидзе, .

Различают поверхностные конденсаторы и конденсаторы смешения. Первые используют, когда надо сохранить конденсат в чистом виде. Поверхностные конденсаторы представляют собой трубчатый теплообменник, хладоносителем в котором является вода или воздух.

К конденсаторам смешения относятся прямоточные или противоточные конденсаторы. В этих конденсаторах паровой поток соприкасается с холодной водой, в результате чего получается смесь воды и конденсата.

Принцип действия вертикального кожухотрубного конденсатора, применяемого в молочных производствах, заключается в следующем. Вторичный пар из вакуум-аппарата поступает через патрубок в межтрубное пространство конденсатора, где конденсируется. Конденсат покрывает трубки в виде пленки и стекает вниз, откуда откачивается насосом. Охлаждаемая вода движется внутри многоходового трубного пучка.

Степень переохлаждения конденсата зависит от температуры стенки, расположения поверхности нагрева, количества пара и других факторов.

Тепловая нагрузка для зоны конденсации , тепловая нагрузка зоны охлаждения , где - количество охлаждаемой воды, кг/с; - удельная теплоемкость воды; - начальная, конечная температура охлаждаемой воды и температура охлаждаемой воды на границе зон конденсации и охлаждения соответственно.

Конденсаторы смешения используются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом (вакуум-аппараты, выпарные установки и др.).

На рис. 4.19 приведена схема барометрического конденсатора смешения с противоточным движением воды и пара. Холодная вода через питатель подается на верхнюю полку и каскадами стекает с одной полки на другую. Пар подается на нижнюю полку и движется вверх, конденсируясь между полками. Воздух отсасывается через ловушку водяных паров. Сливная барометрическая труба служит гидрозатвором и обеспечивает слив воды вместе с конденсатом без применения насоса.

Рис. 4.19 Схема двухступенчатого барометрического конденсатора

В смешивающем конденсаторе с параллельным течением воды и пара охлаждающая вода от насоса под давлением впрыскивается через сопла в паровой поток (рис. 4.20).

Рис. 4.20 Конденсатор смешения с параллельным течением охлаждающей воды и пара

 

Тепловой баланс конденсатора имеет вид

,

где - массовый расход пара; - энтальпия пара; .- удельная теплоемкость конденсата и охлаждаемой воды соответственно; - температура охлаждаемой и барометрической воды соответственно.

Удельный расход охлаждаемой воды

.

 

Условные обозначения

- температура

- градиент температуры

- количество теплоты

- плотность теплового потока

- коэффициент теплопроводности

- удельная теплоемкость

- коэффициент температуропроводности

- коэффициент теплоотдачи

- коэффициент теплопередачи

- общее термическое сопротивление

- плотность материала

- кинематический коэффициент вязкости

- коэффициент динамической вязкости

- характер движения жидкости

- число Рейнольдса

- оператор Гамильтона

- оператор Лапласа

- температурный напор

- толщина стенки

- площадь поверхности

- форма и размер поверхности

- эквивалентный диаметр

- число Грасгофа

- число Прандтля

- число Нуссельта

- поглотительная способность тела

 

Глоссарий

Конвекционный нагрев – нагрев тела при омывании его теплоносителем, имеющим температуру отличную от температуры тела.

Кондуктивный нагрев – нагрев тела непосредственно от нагретой поверхности, когда тепло передается теплопроводностью от этой поверхности.

Конвективный теплообмен – одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью.

Нестационарное тепловое поле – тепловое поле, температура в котором является функцией координат и времени.

Изотермная поверхность – поверхность равных температур.

Градиент температуры – вектор, направленный по нормали к изотермной поверхности в сторону увеличения температуры, численно равен производной температуры по этому направлению.

Тепловой поток – количество теплоты, проходящее в единицу времени через производную поверхность.

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: