Программа вступительных испытаний в аспирантуру по образовательным программам высшего образования – программам подготовки научно - педагогических кадров в аспирантуре (стр. 5 )

В результате этого поверхности охлаждения находятся для каждой зоны в отдельности.

Вопросы для самопроверки по теме № 8

1. Что такое свободная конвекция?

2. Что является движущей силой процесса теплообмена при свободной конвекции?

3. Какова разница в процессе теплообмена в неограниченном и ограниченном пространстве?

4. Какова физическая сущность коэффициента теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием?

5. Как определяется количество тепла, выделенного электрическим нагревательным элементом?

6. Как экспериментально определить коэффициент теплоотдачи конвекцией?

7. Как определить коэффициент теплоотдачи с помощью критериального уравнения?

8. Что характеризуют критерии Нуссельта, Грассгофа, Прандтля?

9. Из чего складывается общее термическое сопротивление при передаче теплоты от горячего теплоносителя к холодному?

10. Какие замеры надо сделать, чтобы определить среднюю движущую силу процесса теплопередачи в теплообменнике?

11.  В чем различие между коэффициентом теплоотдачи и коэффициентом теплопередачи по физическому смыслу?

12.  Из чего складывается полное гидравлическое сопротивление тепло­обменника?

Тема 9

Теплообменники. Классификация тепло­обменных аппаратов. Требова­ния, предъявляемые к теплообменным аппаратам пищевых производств. Регене­ративные и рекуперативные теплообмен­ники. Определение поверхности теплооб­мена и толщины изоляции аппарата. Кало­риферы. Конденсаторы и конденсация. Конструкции калориферов и конденсаторов. Способы интенсификации процессов теплообмена.

Литература

[4] стр. 16-45, [3] стр. 10-17, 28-39.

Методические указания

Аппараты, предназначенные для проведения теплообменных процессов, называются теплообменными или теплообменниками. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках - рекуператорах - тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках - регенераторах  - одна и та же поверхность попеременно омывается различными теплоносителями. При этом поверхность сначала нагревается одним теплоносителем, а затем отдает тепло другому теплоносителю. Таким образом, в регенераторах необходимы аккумуляторы тепловой энергии, которые заряжаются теплом, а затем отдают его.

В смесительных теплообменниках передача тепла происходит непосредственно при соприкосновении и смешении теплоносителей.

Основной задачей при расчете теплообменников является определение требуемой поверхности теплообмена F, которую определяют из основного уравнения теплопередачи: Q = K FΔt,

Порядок расчета теплообменного аппарата:

1. Из уравнения теплового баланса определяют недостающие параметры (расход или температуру одного из теплоносителей);

Тепловой баланс теплообменника можно записать в виде: Q=Q1=Q2+ Qп, где Q1 и Q2 - тепло отдаваемое первым и получаемое вторым теплоносителем, соответственно, Вт; Qп - потери тепла, Вт.

Тепловая нагрузка при теплообмене, без изменения агрегатного состояния определяется по формуле Q = G(cнtн‑скtк), где cн и ск - начальная и конечная удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг. К); tн и tк - начальная и конечная температура теплоносителя, К; G - массовый расход теплоносителя.

При фазовом превращении теплоносителя: Q = G(iн-iк), где iн и iк- начальная и конечная энтальпия теплоносителя, кДж/кг.

2. Определяют теплофизические параметры (плотность, вязкость теплоемкость, теплопроводность и т. п.) обоих теплоносителей;

3. Определяют средний температурный напор (в общем случае по формуле средней логарифмической разности температур);

4. По соответствующим уравнениям подобия рассчитывают коэффициенты теплообмена;

5. Выбирают или рассчитывают термические сопротивления стенки и загрязнений;

6. Определяют коэффициент теплопередачи;

7. Определяют поверхность теплопередачи.

В зависимости от конструктивного исполнения рекуператоры разделяют на кожухотрубные, двухтрубные, змеевиковые, спиральные, опосительные, специальные и на трубчатые выпарные аппараты.

Различают одноходовые и многоходовые кожухотрубные теплообменники.

Для увеличения интенсивности теплоотдачи применяют многоходовые теплообменники. В многоходовом теплообменнике пучек труб или межтрубное пространство (а также и то и другое) разделено перегородками на несколько секций, что при заданном расходе увеличивает скорость теплоносителя, а следовательно и интенсивность теплопередачи.

Если разность температур между кожухом и трубами превышает 25 оС, то температурные напряжения могут вызвать разрушение аппарата. Поэтому для таких условий применяют кожухотрубные теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений.

Трубы в трубной решетке размещают несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников; по сторонам и вершинам квадратов и по концентрическим окружностям. Наибольшее распространение нашел первый способ размещения труб. В данном случае при подсчете общего числа труб n исходя из числа труб а, расположенных по стороне наибольшего шестиугольника: n = 3a(a‑1) + 1.

Число труб b, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника, находят по формуле: b = 2a-1.

При закреплении труб в трубной решетке развальцовкой шаг размещения t выбирают в зависимости от наружного диаметра труб в пределах t = (1,3 -1,5)dн.

При закреплении труб сваркой шаг размещения выбирают равным t = 1,25dн.

Диаметр кожуха находят по соотношению D = t(b‑1) + 4dн.

Длину труб находят исходя из требуемой поверхности F и среднего диаметра труб d: L = F/(pdn).

Рубашечные теплообменники представляют собой сосуд с двойными стенками. Внутри сосуда  находится один из теплоносителей. В зарубашечное пространство  подается другой теплоноситель. Теплообмен происходит через стенку, разделяющую теплоносители.

Змеевиковый теплообменник представляет собой сосуд, в который погружен змеевик. Оба описанных теплообменника относятся к аппаратам периодического действия. Такие аппараты применяются при небольших тепловых нагрузках, имеют небольшие поверхности теплообмена и невысокую интенсивность теплопередачи. Для повышения интенсивности теплообмена в теплообменник устанавливают различные перемешивающие устройства.

Пластинчатые теплообменники представляют собой набор штампованных пластин, которые собираются при помощи болтовых соединений. Теплообменник обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, возможность создания больших теплообменных поверхностей, возможность очистки и малые габариты аппарата.

Спиральные теплообменники представляют собой поверхность теплообмена, образованную двумя пластинчатыми спиралями.

Вопросы для самопроверки по теме № 9

1.  Назовите основные виды теплообменников.

2.  Чем отличается конденсатор от охладителя?

3.  Приведите порядок расчета теплообменного аппарата.

4.  Приведите возможные пути повышения эффективности работы теплообменного аппарата.

Тема 10

Выпаривание. Теоретические основы процесса выпаривания. Понятие о грею­щем, вторичном и экстра паре. Изменение свойств раствора при сгущении. Однокорпусная установка. Материальный и тепловой балансы выпаривания. Выбор числа корпусов. Классификация выпар­ных аппаратов. Примеры использования выпарных установок в пищевой промышленности.

Литература

[4] стр. 16-45, [3] стр. 10-17, 28-39.

Методические указания

Выпаривание - процесс концентрации растворов путем удаления летучего растворителя.

Выпаривание производят при температуре кипения, т. е. при условиях, когда давление над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Для нагревания раствора до температуры кипения как правило используют водяной пар, который называют греющим или первичным паром. Вторичным (соковым) паром называется пар, образующийся из выпариваемых растворов.

При данном давлении температура кипения раствора tр выше температуры, находящегося над раствором насыщенного пара tвп на величину физико-химической депрессии Δф.

Процесс выпаривания можно проводить под атмосферным и избыточным давлением или под вакуумом.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар отводят в атмосферу. Этот способ является наиболее простым, но не экономичным в тепловом отношении.

При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар имеет высокую температуру и его часто используют для нагревания различных теплообменных аппаратов.

При выпаривании под вакуумом температура кипения раствора снижается, что позволяет использовать для нагревания раствора пар низкого давления. Применение вакуум-выпарных аппаратов позволяет также уменьшить поверхность теплообмена и габариты аппарата.

Выпаривание может осуществляться в одном аппарате (однокорпусная выпарная остановка), либо в ряде последовательно соединенных аппаратах (многокорпусная установка).

В однокорпусных выпарных установках тепло греющего пара используется однократно, а вторичный пар обычно не используется.

В многокорпусных установках вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса, в котором раствор кипит при более низком давлении.

Различают также выпарные аппараты периодического и непрерывного действия.

Однокорпусная выпарная установка применяется, когда необходимо выпарить относительно небольшое количество воды и когда экономия тепла не имеет большого значения.