Лекция 20. Нагревание и испарение

1. Модуль № 4 Теплообменные процессы

Лекция № 20
Нагревание и испарение

2. Литература:

• Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы
и аппараты пищевой технологии».- М.,
КолосС, 2008.-591 с.: ил.
• Процессы и аппараты пищевых
производств. Учебник для вузов в 2 книгах/
[А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н.
Острикова.

3. План лекции:

• Нагревание.
• Испарение.
• Аппараты для нагревания пищевых сред.

4. Контрольные вопросы:

– Какими методами нагревают пищевые продукты?
– В чем особенности нагревания водой?
– Какими достоинствами обладает процесс нагревания
водяным насыщенным паром?
– В чем недостатки нагрева топочными газами?
– Как используют электрический ток для нагревания?
– В чем существо терморадиационного нагрева?
– В каких аппаратах теплообменными конструкциями
являются трубы?
– Определите технологические преимущества
пластинчатых теплообменников.

5. ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из теплового
баланса.
(1)
где Wв и Gп – массовые расходы соответственно воды и продукта, кг/ч; св и сп – теплоёмкости
соответственно воды и продукта, кДж/(кг · К); tв.н. и tп.к. – конечные температуры соответственно
воды и продукта, °С; Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.
(2)

6.

• Массовый расход пара (кг/ч) при нагревании жидкости
определяют из теплового баланса.
(3)
• Расход «глухого» пара
(4)
• где D – массовый расход пара, кг/ч; G – массовый расход жидкости, кг/ч; с –
удельная теплоёмкость жидкости, кДж/(кг · К); tи и tк – соответственно
начальная и конечная температуры жидкости, °С; і´ и і´´ - удельные энтальпии
соответственно греющего пара и конденсата, кДж/ч.

7.

Рис. 1. Схема установки конденсатоотводчика:
1 – теплообменник; 2 – продувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик;
4 – вентили; 5 – отводная линия.

8.

Расход «острого» пара определяют из теплового
баланса
(5)
Обозначения здесь те же, что и в уравнении (3).
Расход «острого» пара
(6)

9.

• Количество теплоты, которое необходимо подвести в
процессе нагревания электрическим током, определяют
из теплового баланса
(7)
• где Qэ – количество теплоты, которое выделяется в нагревательном
электрическом элементе при прохождении в нём электрического тока, Дж/ч; G
– расход продукта, кг/ч; с – удельная теплоёмкость продукта, Дж/ (кг · К); tи и
tк - соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого
продукта, °С; Qп – потери теплоты в окружающую среду, Дж/ч.
Из уравнения (7) получим
(8)
Мощность электронагревательных элементов, Вт,
(9)

10. Нагревание токами высокой частоты

Для определения количества теплоты, выделяемой в единице массы продукта,
определим удельные диэлектрические потери.
Потери мощности в единице массы или объема, Вт/см3,
(10)
где Р— общая потеря мощности, Вт, в диэлектрике емкостью с, находящемся под переменным напряжением U при
частоте f, V— единица объема.
Подставим в уравнение (10) значения общей потери мощности Р= UIcмcos φ и полного
значения тока смещения в диэлектрике Iсм - ωcU, где ω – угловая частота поля; ω = 2πf.
После подстановки получим
(11)
Заменив V= Sd, где площадь S— поверхности рабочей части пластин конденсатора; d—
расстояние между пластинами; φ — угол, на который ток смещения в цепи опережает
приложенное напряжение, получим
(12)

11.

Если напряженность электрического поля Е (В/см) выразим как Е= U/d,a емкость с = εS/d,
где ε — диэлектрическая проницаемость продукта, получим
(12)
Выразив f в Гц, Е в В/см, окончательно получим потерю мощности, Вт/см3,
(13)
где cos φ - sin (90 - φ) = sin δ. Поскольку угол δ мал, можно считать, что sin δ - tg δ.
(14)
где cos φ - sin (90 - φ) = sin δ. Поскольку угол δ мал, можно считать, что sin δ - tg δ.

12. ВОПРОС № 2 ИСПАРЕНИЕ

Испарение — процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты.
Расход теплоты на испарение, кДж,
(13)
где W—масса испаренной жидкости, кг; r—теплота парообразования, кДж/кг.

13. ВОПРОС № 3 Аппараты для нагревания пищевых сред

Классификация теплообменных аппаратов.
♦ по назначению: для проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния рабочей
среды (нагреватели, охладители), проведения теплопередачи с изменением агрегатного состояния
рабочих сред (испарители, кипятильники, конденсаторы), одновременного проведения
технологического кого процесса и теплопередачи (реакторы, абсорберы, теплообменники, встроенные
в установки);
♦ роду рабочих сред: паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газожидкостные; газо-газовые;
♦ взаимному направлению движения рабочих сред: прямоточные, в которых обе среды движутся в
одном направлении; противоточные — обе среды движутся в противоположных направлениях;
перекрестного тока — обе рабочие среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях;
смешанного тока, в которых направления потоков рабочих сред возможны в различных сочетаниях
(прямоток и противоток);
♦ характеру температурного режима в теплообменных аппаратах: аппараты с установившимся
тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности
теплообмена с течением времени не изменяется (теплообменники непрерывного действия); аппараты
с неустановившимся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке
поверхности теплообмена изменяется с течением времени (теплообменники периодического
действия);
♦ конструктивному признаку: типа «труба в трубе», кожухотрубные, ламельные, пластинчатые,
змеевиковые, спиральные, пластинчато-ребристые, оросительные, специальные (аппараты с
рубашками, ребристые аппараты), комбинированные и др.
♦ принципу действия: рекуперативные (в них теплоносители разделены стенкой и теплота
передается от одного теплоносителя к другому через эту стенку), регенеративные (в них рабочая
поверхность попеременно омывается различными теплоносителями: при омывании одним из
теплоносителей она нагревается за счет его теплоты; при омывании ее другим теплоносителем она
охлаждается, передавая теплоту последнему) и смесительные, в которых передача теплоты

14. Теплообменники типа «труба в трубе».

Рис.2. Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»:

15. Кожухотрубные теплообменники.

Рис.3. Вертикальный кожухотрубный
теплообменник с неподвижными
трубными решетками:

16.

Рис.4. Схемы размещения труб в трубных решетках:

17.

Рис.5. Ламенарные теплообменники
в корпусе прямоугольной (а) и
цилиндрической (б) формы:

18.

Теплопередающие пластины классифицируются по форме профиля рабочей
поверхности:
♦ на плоские;
♦ узкоканальчатые (со спиральными фрезерованными каналами, с зигзагообразными
фрезерованными каналами, с зигзагообразными штампованными каналами, конические
со спиральными каналами);
♦ с турбулизирующими вставками;
♦ на ленточно-поточные (с плоской рабочей поверхностью, с простыми
горизонтальными гофрами, с рифлеными горизонтальными гофрами);
♦ сетчато-поточные (с прерывистыми турбулизаторами, с непрерывными
турбулизаторами).

19.

Рис.6. Теплообменные пластины:

20.

Рис.7. Схемы простейших аппаратов с различными типами пластин: