Теоретичні основи теплового процесу. Вибір конструкції апарату

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Теоретичні основи процесу. Вибір конструкції апарату

Теплові процеси -- технологічні процеси, що протікають зі швидкістю, обумовленою законами теплопередачі. Теплообмінні апарати -- апарати, призначені для проведення теплових процесів. Теплоносії -- тіла (середовища), що беруть участь у теплообміні. Теплопередача -- наука про способи поширення тепла. Закони теплопередачі лежать в основі теплових процесів -- нагрівання, охолодження, конденсації, випару, випарювання.

Принципово різні елементарні способи розповсюдження тепла: теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання. Теплопровідність -- перенос тепла внаслідок випадкового (теплового) руху мікрочастинок, що безпосередньо торкаються одна одної. Конвекція -- перенос тепла внаслідок руху і перемішування макроскопічних об'ємів теплоносія. Природна (вільна) конвекція обумовлена різницею густини у різних крапках об'єму теплоносія, що виникає внаслідок різниці температур у цих крапках. Вимушена конвекція обумовлена примусовим рухом всього об'єму теплоносія. Теплове випромінювання -- процес поширення електромагнітних коливань з різною довжиною хвиль, обумовлений тепловим рухом атомів або молекул випромінюючого тіла.

Тепловіддача -- процес переносу тепла від стінки до теплоносія або в зворотному напрямку. Теплопередача -- процес передачі тепла від більш нагрітого менш нагрітому теплоносієві через поділяючу їх поверхню або тверду стінку.

При проектуванні теплообмінних апаратів тепловий розрахунок зводиться до визначення потрібної поверхні теплообміну F, м², за основним рівнянням теплопередачі:

,(1.1)

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

Q=Q₁=Q₂,(1.2)

деQ1 та Q2 - кількість тепла, яке віддав гарячий теплоносій та що передано холодному теплоносію відповідно, Вт.

Під час теплообміну між теплоносіями зменшується ентальпія (тепловміст) гарячого теплоносія і збільшується ентальпія холодного теплоносія. Рівняння теплового балансу (1.2) в розгорнутому виді:

Q=G₁(i_1п-i_1к)=G₂(i_2к-i_2п),(1.3)

деG1 та G2 - витрата гарячого та холодного теплоносія відповідно, кг/с; i1п, i1к - початкова та кінцева ентальпії гарячого теплоносія, Дж/кг; i2п, i2к - початкова та кінцева ентальпії холодного теплоносія, Дж/кг.

Якщо під час теплообміну не змінюється агрегатний стан теплоносіїв, ентальпії останніх дорівнюють добутку теплоємності на температуру і тоді рівняння теплового балансу (1.3) матиме вигляд:

Q=G₁c₁(t_1п-t_1к)=G₂c₂(t_2к-t_2п),(1.4)

деc1, с2 - середні питомі теплоємності гарячого та холодного теплоносіїв відповідно, Дж/(кгК); t1п, t1к - температури гарячого теплоносія на вході в апарат і на виході з нього, 0С; t2к, t2п - температури холодного теплоносія на виході з апарата та на вході в нього, 0С.

З рівняння (1.4) можна знайти витрати гарячого або холодного теплоносіїв при відомих значеннях інших параметрів. У разі використання в якості гарячого теплоносія насиченої водяної пари величин i_1п, Дж/кг, та i_1к, Дж/кг, в рівнянні (1.3) будуть відповідно ентальпіями пари, що надходить, і конденсату, що виходить з теплообмінника. Рівняння теплового балансу, припускаючи, що віддача тепла при охолодженні пари до температури конденсації та при охолодженні конденсату незначна:

Q=G_гр(i_1п-i_1к)=G₂c₂(t_2к-t_2п),(1.5)

де Gгр - витрата гріючої пари, кг/с.

Припускаючи, що віддача тепла при охолодженні пари до температури конденсації та при охолодженні конденсату незначна, рівняння теплового балансу (1.5) можна записати у вигляді:

Q=G_грr=G₂c₂(t_2к-t_2п),(1.6)

деr - питома теплота конденсації, Дж/кг.

По рівнянням (1.5) та (1.6) визначають витрати водяного пару. Якщо гріючий пар є вологим, то теплоту конденсації помножуємо на ступінь сухості водяного пару. Якщо маємо теплові втрати в навколишнє середовище, то величину теплового навантаження треба помножити на коефіцієнт, який враховує теплові втрати. Ентальпію та питому теплоту конденсації гріючого пару визначають за довідниками /1-2/. Коефіцієнт теплопередачі К, Вт/(м²К), для плоскої теплообмінної поверхні:

,(1.7)

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

Nu=0,021Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25.(1.8)

Для критеріїв Nu, Re і Pr за визначальну температуру приймається середня температура рідини, а для критерію Pr_ст -- температура стінки. За лінійні розміри в критеріях Nu і Re береться внутрішній діаметр труби або еквівалентний діаметр каналу. При ламінарному русі (Re2300):

Nu=0,15Re0,33Pr0,43Gr0,1(Pr/Prст)0,25.(1.9)

Для повітряного теплоносія формули (1.8) та (1.9) відповідно:

Nu=0,018Re^0,8;(1.10)

Nu=0,13Re^0,33Gr^0,1.(1.11)

Для випадку руху теплоносія в міжтрубному просторі кожухотрубних теплообмінників: теплопровідність конвекція випромінювання

Nu=С(d_еRe)^0,6Pr^0,33,(1.12)

,(1.13)

При поперечному обтіканні пучка труб (кут атаки 90^о), шаховому та коридорному розташуванні труб відповідно:

Nu=0,41Re^0,6Pr^0,33(Pr/Pr_ст)^0,25,(1.14)

Nu=0,23Re^0,65Pr^0,33(Pr/Pr_ст)^0,25.(1.15)

Середню різницю температур , ⁰С, у випадку прямотечії і протитечії визначають як середньологарифмічну різницю:

,(1.16)

Якщо (t_б/t_м)2, то середньологарифмічну різницю можна замінити без помітної похибки середньоарифметичною різницею:

.(1.17)

Для апаратів з перехресною і мішаною течією теплоносіїв середня різниця температур знаходиться шляхом помноження значення середньологарифмічного температурного напору досягаємого при протитечійній схемі руху теплоносіїв на поправочний коефіцієнт, який визначається за довідниками.

Для проведення процесу пастеризації продукту обирається кожухотрубну конструкцію теплообмінника. Кожухотрубні теплообмінники найпоширеніші у харчовій промисловості, надають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні та надійні в експлуатації.

Размещено на Allbest.ru