Основные зависимости теплового расчета.

 

Одна из основных характеристик продуктов и исходного сы­рья пищевой промышленности, участвующая в основных расче­тах, является удельная теплоемкость.

Удельная теплоемкость (необходимое количество тепла в кДж на нагрев 1 кг продукта на 1°С) основного сырья и продук­тов приведена в таблицах [5, 6 и 12]. В случае если в таблицах та­ковых нет, то она может быть определена по зависимости:

 

-Для продуктов, содержащих небольшое количество белков и жиров и содержащих много углеродов:

где,

- содержание сухих веществ в продукте, %.

 

-Для овощей и фруктов и другого сырья растительного проис­хождения:

где,

- содержание жиров в продукте, %;

- содержание белков в продукте, %.

 

-Для продуктов животного происхождения:

 

Удельная теплоемкость смеси продуктов определяется по за­висимости:

где,

- количество компонентов в смеси;

- массовая доля -того компонента смеси, причем

- удельная теплоемкость i-того компонента смеси, кДж/(кгК).

 

Затраты тепла на нагрев продукта определяется по зависимо­сти:

-в непрерывном процессе:

-в периодическом процессе:

где,

- производительность оборудования по нагреваемому про­дукту (или смеси), кг/с;

G- масса нагреваемого продукта, (или смеси), кг;

с- удельная теплоемкость нагреваемого продукта (или сме­си), кДж/(кг К);

- начальная температура продукта, (или смеси), °С;

- конечная температура продукта, (или смеси), °С.

 

 

Затраты тепла на нагрев оборудования рассчитываются только для периодических процессов по зависимости:

где,

- масса оборудования, кг;

- удельная теплоемкость материала, из которого изготов­лено оборудование, кДж/(кг-К);

- температура стенки оборудования, °С;

- температура окружающей среды, °С. Для расчетов при­нимаем =(20...25) °С.

 

Затраты тепла в окружающую среду рассчитываются по зави­симости:            

-для периодического процесса:

-для непрерывно действующих процессов:

где,

- наружная площадь оборудования, касающаяся с окру­жающей средой, м;

- суммарный коэффициент теплоотдачи (от конвекции и теплоизлучения) в окружающую среду, (Вт/м² К);

- температура стенки оборудования с учетом изоляции, °С;

- температура окружающей среды, °С.

 

По упрощенной зависимости суммарный коэффициент тепло­отдачи может быть определен для оборудования в закрытом по­мещении:

- с температурой стенок до 150 °С

 

- с температурой стенок от 150 до 350°С

Температура стенки оборудования может быть определена по зависимости:

где,

- температура среды с внутренней стороны стенки, °С;

- коэффициент теплоотдачи с внешней стороны стенки, (Вт/м² К);

- термическое сопротивление теплопередачи, (м² К/Вт), определяемое по зависимости:

- толщина стенки, м;

- коэффициент теплопроводности стенки, (Вт/м² К);

- коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны стенки, (Вт/м² К).

 

Некоторые значения коэффициента теплопроводности мате­риалов приведены в таблице 13.

 

Таблица 13

Наименование материала	Коэффициент теплопровод­ности, (Вт/м2 К)
Сталь углеродистая, чугун	45-55
Сталь легированная	17-45
Алюминий	200-230
Медь	360
Латунь	100
Бетон	1, 3
Кирпичная кладка	0, 75
Шамотный кирпич	1, 1-1, 4
Кладка бутовая	13
Стекло	0, 75
Асбест	0, 15-0, 2
Плита из пробки	0, 05-0, 1
Шлак	0, 3
Шлаковата	0, 20-0, 35
Опилки	0, 07
Накипь	0, 7-2, 3

 

Некоторые значения коэффициента теплоотдачи приведены в таблице 14.

 

Таблица 14,

Передающая среда	Коэффициент теплоотдачи, (Вт/м2 К)
Газы при естественной конвек­ции	5-30
Газы при движении в трубах или между ними	10-100
Пары воды в трубах перегрева­теля	100-2000
Вода при естественной конвек­ции	100-1000
Вода при движении по трубам	500-10000
Кипящая вода	2000-10000
Конденсирующийся водяной пар	4000-15000

 

 

Коэффициент теплоотдачи для змеевиков может быть опреде­лен по зависимости:

где,

a- суммарный коэффициент теплоотдачи прямой трубы, (Вт/м² К);

d- диаметр трубы змеевика, м;

R- радиус кривизны змеевика, м.

 

Затраты тепла на испарение жидкости определяются по зави­симости:

-для периодического процесса:

-для непрерывного процесса:

где,

- полезный объем аппарата, м³;

- объемная масса (плотность) смеси до упаривания, кг/м³;

- удельная теплота парообразования испаряемой жидкости, кДж/кг;

- концентрация сухих веществ в исходной смеси, %;

- требуемая концентрация сухих веществ в готовом про­дукте, %;

- производительность аппарата по исходному продукту, кг/см.

 

Значения удельной теплоты парообразования для воды в зави­симости от остаточного давления в аппарате приведены в таблице 1 приложения П [5].

В случае когда по технологии задана величина разряжения в аппарате, остаточное давление определяется по зависимости:

где,

b- величина разрежения (вакуума), мПа.

 

Общие затраты тепла определяются по зависимости:

 

Если передача тепла идет от острого пара, то масса пара опре­деляется по зависимости:

где,

- энтальпия пара по заданным параметрам (или температура или давление), кДж/кг;

- энтальпия конденсата при тех же исходных параметрах, кДж/кг.

Значение энтальпии водяного пара и конденсата в зависимо­сти от температуры или давления приведены в табл. 1 приложе­ние П[5].

Если же в процессе нагрева пар полностью не конденсируется, а идет на продолжение другого процесса, то значение  необхо­димо принять по параметрам отходного пара (лучше всего по диаграмме I - S или I - d).

Если же тепло передается другим теплоносителем (например, горячей водой), то необходимо определить требующую поверх­ность теплопередачи. Требуемая поверхность теплопередачи оп­ределяется по зависимости:

- для периодического процесса

- для непрерывного процесса

 

где,

Q - общие затраты тепла, кДж или кДж/с;

К — коэффициент теплопередачи от греющего агента к потре­бителю, Вт/(м² К);

- средняя разность температур между теплоносителем и нагреваемым продуктом в зависимости от характера процес­са;

- время длительности процесса нагрева, с.

 

Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку (в зави­симости от числа слоев материала сосуда и изоляции) определя­ется по зависимости:

где,

- коэффициент теплопередачи от теплоносителя к стенке, Вт/(м²К);

- количество слоев стенки (в том числе и слои изоляции, возможного нагара или осадка);

- толщина -ого слоя стенки, м;

- коэффициент теплопроводности -ого слоя стенки, Вт/(мК);

- коэффициент теплопроводности от стенки к нагреваемой среде, Вт/(м²К)

           

Коэффициент теплопередачи через двухслойную цилиндри­ческую стенку (например, труба с изоляцией) определяется по за­висимости:

где,

- внутренний диаметр трубы, м;

- наружный диаметр трубы, м;

- наружный диаметр изоляции, м.

 

Остальные коэффициенты те же, что в предыдущей зависимо­сти.

 

 

Коэффициент теплопередачи через ребристую стенку опре­деляется по зависимости:

где,

- коэффициент теплопередачи со стороны гладкой по­верхности, Вт/(м²К);

- коэффициент теплопередачи со стороны оребренной по­верхности, Вт/(м2К);

- площадь гладкой поверхности, м²;

- площадь оребренной поверхности, м²;

 

Средняя разность температур между теплоносителем и нагре­ваемым продуктом определяется в зависимости от относительно­го направления движения теплоносителя и продукта и от величи­ны самих температур по графикам на рисунках 1, 2, 3, 4, где на оси абсцисс откладывается длина аппарата, а на оси ординат - темпе­ратура.

На рисунках 1, 2, 3 процесс прямоточный.

На рисунке 4 процесс противоточный.

На рис 1, где температура теплоносителя и температура нагре­ваемого продукта остается постоянной, средняя разность темпе­ратур определяется по зависимости:

где,

- температура теплоносителя, °С;

- температура нагреваемого продукта °С.

 

На рисунках 2 и 3 начальная разность температур определя­ется по зависимости:

где,

- начальная температура теплоносителя, °С;

- начальная температура нагреваемого продукта, °С.

 

Здесь же конечная разность температур определяется по зави­симости:

где,

- конечная температура теплоносителя, °C;

- конечная температура нагреваемого продукта, °С.

 

В процессе противотока теплоносителя и нагреваемого про­дукта (рис.4) начальная разность температур определяется:

и конечная разность температур определится:

где, обозначения температур те же, что и в предыдущем случае.

Если большая разность температур менее удвоенного значения второй (меньшей) разности, то средняя разность температур оп­ределяется по зависимости:

Если же это условие не соблюдается, т.е.

 

то средняя разность температур определяется по зависимости:

где,

- большая из начальной или конечной разностей темпера­тур, °С;

, - меньшая из начальной или конечной разностей темпе­ратур, °С.

Расчет бланширователей.

Производительность ленточного бланшерователя определяется по зависимости:

где,

- ширина ленты бланширователя, м;

- средняя высота слоя продукта на ленте, м;

= (0, 01...0, 15) м/с - скорость ленты бланшерователя;

- объемная масса (плотность) продукта, кг/м³;

=0, 75 - 0, 95- коэффициент заполнения ленты продуктом.

 

Длина ленты бланширователя определяется в зависимости от необходимого времени бланширования:

где,

- время бланширования в пределах 3...300 с.

 

Производительность ленточно-ковшового бланширователя оп­ределяется по зависимости:

где,

- расстояние между ковшами, м;

- масса продукта, загружаемого в один ковш, кг.

 

Общий расход тепла при бланшировании водой с нагревом воды при помощи барботера определится по зависимости:

где,

- расход тепла на нагрев продукта, кДж/с. Средняя конеч­ная температура продукта принимается в расчете на 2°- 3° ниже температуры греющей воды;

- расход тепла на испарение воды с поверхности водяного зеркала бланширователя, кДж/с. Если бланширователь за­крытый (то есть имеет плотную крышку), то эту величину можно не учитывать;

- расход тепла на нагрев доливаемой воды в ванну бланширователя, кДж/с. Количество воды определяется с учетом оставшегося в бланширователе конденсата, образовавшегося при нагреве: если количество конденсата превышает количе­ство испарившейся части воды, то величину расхода тепла в расчете можно не учитывать;

- расход тепла на нагрев ленты с ковшами транспортера, кДж/с;

- расход тепла на потери в окружающую среду путем кон­векции и теплоизлучения, кДж/с.

 

Общий расход тепла при бланшировании паром определится по зависимости:

где,

- расход тепла на подогрев продукта, кДж/с;

- расход тепла на подогрев транспортера, кДж/с;

- расход тепла на компенсацию потерь путем конвекции и теплоизлучения, кДж/с;

- расход тепла за счет утечки пара из за не герметичности бланширователя, кДж/с.

Величину расхода тепла за счет утечки пара рассчитать не­возможно. Экспериментально установлено, что в зависимости от степени герметичности бланширователя, этот расход находится в пределах от 50% до 100% от общих всех остальных затрат тепла, т.е.

Расход пара определяется по зависимости:

где,

- удельная энтальпия греющего пара, кДж/кг;

- удельная энтальпия конденсата при тех же параметрах, кДж/кг.

 

Удельная энтальпия греющего пара зависит от давления пара до регулирующего вентиля с учетом степени сухости самого па­ра. Это значение можно определить по зависимости:

где,

- удельная энтальпия воды в точке кипения (при давлении пара до вентиля), кДж/кг;

- удельная теплота парообразования (при данном давле­нии), кДж/кг;

=0, 92...0, 95- степень сухости пара.

 

Приведенные величины могут быть определены на графиках I - S или I - d, а также приведены в табл.1, Приложение 2[5].

 

Необходимая поверхность нагрева определяется по зависимо­сти:

где,

- коэффициент теплопередачи [Вт/(м2К)];

- средняя разность температур между теплоносителем и нагреваемым продуктом в зависимости от схемы теплопере­дачи (см. рис.1...4).

 

Расход охлаждающей воды определяется по зависимости:

где,

- производительность бланширователя, кг/с;

- удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг К);

- температура продукта до охлаждения, °С;

- температура продукта после охлаждения, °С;

=4, 190 кДж/(кг К) - удельная теплоемкость воды;

- начальная температура в оды, С;

- конечная температура воды, ° С.

Установлено, что при охлаждении продукта струйками воды, то разность температур в начале и в конце охлаждения (8...10)°С, а при охлаждении в ванне, эта разность составляет (15...20)°С.

В среднем расход воды составляет (2...4) кг на 1 кг продукта.

Расчет шпарителей

Производительность шпарителя периодического действия (дигестера) определяется по зависимости:

где,

- полезный объем дигестера, м;

- объемная масса (плотность) продукта, кг/м³;

= 0, 7... 0, 8 - коэффициент использования полезного объе­ма;

- время цикла шпарения продукта, с.

 

Общий расход тепла при шпарении продукта определяется по зависимости:

где,

- расход тепла на нагрев продукта, к Дж;

- расход тепла на нагрев дичестера, кДж;

- расход тепла на компенсацию потерь тепла в окружаю­щую среду путем конвекции и теплоизлучения, кДж,

- расход тепла за счет утечки пара, кДж.

 

Расход тепла за счет утечки пара в зависимости от степени герметизации дигестера, составляет (20...40)% от общего расхо­да тепла:

Производительность шнекового шпарителя определяется по зависимости:

где,

- наружный диаметр шнека, м:

- диаметр вала шнека, м;

- шаг шнека, м;

- частота вращения шнека, с^-1;

- объемная масса продукта, кг/м³;

= 0, 3...0, 4- коэффициент заполнения шпарителя продук­том.

 

Общий расход тепла определяется по зависимости:

где,

- расход тепла на нагрев продукта, кДж/с;

- расход тепла на компенсацию потерь тепла в окружаю­щую среду путем конвекции и теплоизлучения, кДж/с;

= (0, 05...0, 10) ( ) кДж/с - расход тепла за счет утеч­ки пара из за не герметичности шпарителя.

Расход энергии на приводе примерно (1, 5...2)кВт на 1 тонну в час производительности шпарителя.

 

 

Расчет подогревателей.

Производительность подогревателя периодического действия определяется по зависимости:

где,

- полезный объем подогревателя, м³;

- объемная масса продукта, кг/м³;

- время цикла подогрева, с.

 

Необходимая площадь теплообмена определяется по зависи­мости:

где,

- производительность подогревателя, кг/с;

- удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг К);

- конечная температура продукта, °С;

- начальная температура продукта, °С;

- коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

- средняя разность температур между теплоносителем и нагреваемым продуктом в зависимости от схемы процесса (см. рис.1...4), °С.

 

Необходимое время нагрева продукта определяется по зави­симости:

где,

- общие затраты тепла, Дж;

- площадь теплообмена, м².

 

Обозначения остальных параметров, что и в прежней зависи­мости.

Необходимая поверхность теплообмена кожухотрубного по­догревателя определяется по зависимости:

где,

- расход тепла на нагрев продукта, кДж/с;

- потери тепла в окружающую среду, кДж/с;

- коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

- средняя разность температур между теплоносителем и нагреваемым продуктом в зависимости от схемы процес­са, °С.

 

Расход пара в кожухотрубном подогревателе:

где,

 и - расход тепла на нагрев продукта и на компенсацию потерь тепла в окружающую среду, кДж/с,

 и удельная энтальпия пара и его конденсата, кДж/кг.

 

Необходимое число труб теплообмена определяется по зави­симости:

где,

- площадь теплообмена, м²;

- расстояние между трубными решетками, м;

- расчетный диаметр труб, м;

 

Расчетный диаметр труб зависит от соотношения коэффици­ентов теплоотдачи  (между теплоносителем и трубой) и  (между трубой и нагреваемым продуктом).

Если  то  = 0, 5 ( ) [м]

где,

- наружный диаметр трубы, м;

- внутренний диаметр трубы, м.

Если  то  =

Если  то  =

 

Производительность кожухотрубного подогревателя опреде­ляется по зависимости:

где,

- внутренний диаметр труб, м;

- число труб в одном ходе продукта, шт;

- скорость прохождения продукта, м/с;

- объемная масса продукта, кг/м³.

 

Необходимая поверхность теплообмена змеевикового подог­ревателя определяется по зависимости:

где,

- расчетный диаметр трубы в зависимости от соотношения коэффициентов теплоотдачи (см. выше), м;

- коэффициент отношения развернутой длины змеевика к расчетному диаметру в зависимости от давления греющего пара в соответствии с табл. 15.

 

Таблица 15

Давле­ние па­ра, кПа	45	123	147	196	294	398
	До 100	150	175	200	225	250

 

Производительность пластинчатого подогревателя определя­ется по зависимости:

где,

- количество пластин в одном ходе, шт,

- площадь поперечного сечения прохода в одной пластине, м²;

- скорость прохода нагреваемого продукта, м/с;

- объемная масса(плотность) нагреваемого продукта, кг/м³.

 

Необходимое число пластин в пакете определяется по зависи­мости:

где,

- необходимая поверхность теплообмена, определяется с теплового расчета подогревателя, м²;

- поверхность теплообмена одной пластины, м².

 

Производительность подогревателя типа «труба в трубе» оп­ределяется по зависимости:

где,

- необходимая поверхность теплообмена определяется из теплового расчета, м²;

- длина трубы теплообмена, м;

- скорость нагреваемого продукта в трубе, м/с;

- объемная масса(плотность) нагреваемого продукта, кг/м³.

 

Диаметр трубы для нагреваемого продукта можно определить из выражения:

Обозначения и размерность из прежней зависимости.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: