ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ № 6-10

67 Pages·01.42 MB·Russian

by  К.М

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ

К.М. Федоров, Ю.Н. Гуляева, А.Б. Дужий

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ № 610
Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург
2014
1
УДК 663.62

Федоров К.М., Гуляева Ю.Н., Дужий А.Б. Процессы и аппараты
пищевых производств. Лабораторные работы № 610: Учеб.-метод.
пособие.  СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2014.  67 с.

Приведены схемы экспериментальных установок и их подробное описание,
даны методики проведения экспериментальных исследований и порядок обработки
полученных результатов, а также контрольные вопросы. Учебно-методическое посо-
бие предназначено для самостоятельной работы студентов направлений бакалавриата
220700, 151000, 240700, 260100, 260200 очной и заочной форм обучения.

Рецензент: доктор техн. наук, проф. В.А. Арет

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом
Института холода и биотехнологий

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса,
в результате которого определены 12 ведущих университетов России,
которым присвоена категория «Национальный исследовательский
университет». Министерством образования и науки Российской
Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы.
В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных техно-
логий, механики и оптики».
 Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, 2014
 Федоров К.М., Гуляева Ю.Н., Дужий А.Б., 2014
2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Изучение процессов нагрева и рекуперации теплоты
в трубчатой теплообменной установке

Введение

На предприятиях пищевой промышленности одним из наибо-
лее распространѐнных процессов является тепловая обработка про-
дуктов.
В зависимости от характера и цели технологического процесса
тепловая обработка должна обеспечивать поддержание температуры
продукта на определѐнном уровне, а также нагревание или охлажде-
ние его.
Пищевые жидкости с целью их пастеризации или стерилизации
необходимо нагреть до высокой температуры, затем эти жидкости
охлаждают до сравнительно низкой температуры. Раздельно прово-
дить эти два процесса экономически невыгодно. Если горячую жид-
кость пустить внутри труб теплообменного аппарата, а холодную по-
давать в межтрубное пространство, то горячая жидкость охладится,
а холодная нагреется, в результате будут сэкономлены теплота для
нагрева и холод для охлаждения этих жидкостей. Процесс обратной
передачи теплоты от уже нагретой горячей среды к среде, поступаю-
щей на подогрев, с целью утилизации теплоты горячей среды, в тех-
нике принято называть рекуперацией теплоты.
Количество теплоты, идущей на стерилизацию или нагревание
без рекуперации
 
Q  mc t t , (1)
3 1

где t – температура продукта после пастеризации или стерилизации,
3
оС; t – температура продукта до нагревания, оС; c – теплоѐмкость,
1
Дж/(кг·К); m – производительность аппарата, кг/с.
Холодный продукт, проходя через рекуператор, будет нагре-
ваться от температуры t до температуры рекуперации t , несколько
1 2
меньшей температуры t .
3
Количество теплоты, используемой в рекуператоре, находится
из уравнения
 
Q  mc t t . (2)
p 2 1
3
Эффективность работы рекуператора характеризуется коэффи-
циентом рекуперации, который представляет собой отношение коли-
чества теплоты, использованной в рекуператоре, к количеству тепло-
ты, необходимой для нагревания продукта от его начальной темпера-
туры до температуры пастеризации или стерилизации

Q t t
  p  2 1 . (3)
Q t t
3 1

Основной характеристикой любого теплового процесса являет-
ся количество подаваемой теплоты, от которого зависит величина не-
обходимой поверхности теплообмена.
Для установившегося процесса перехода теплоты применимо
основное уравнение теплопередачи

Q  kFt , (4)
cp

где Q – количество подаваемой теплоты, Вт; k – коэффициент теп-
лопередачи, Вт/(м2·К); F – поверхность теплообмена, м2; t –
cp
средняя разность температур между средами.
Среднюю разность температур рассчитывают по формуле

t t
t  б м (5)
cp
 t 
2,3lg б 
 
t
 
м

где t и t – большая и меньшая разности температур между сре-
б м
дами. Если отношение t t  2, то с достаточной точностью вме-
б м
сто теоретической формулы можно применять более простую

t  t
t  б м . (6)
cp
2

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле

1
k  , (7)
1  1
 
  
1 2
4
где  – коэффициент теплоотдачи от горячей среды к стенке,
1
 
2
Вт/ м К ;  – толщина стенки, м;  – коэффициент теплопроводно-
 
сти материала стенки, Вт/ м К ;  – коэффициент теплоотдачи
2
 
2
от стенки к холодной жидкости, Вт/ м К .
При движении среды внутри труб коэффициент теплоотдачи
находят по одной из следующих формул:

d
Nu  э ; (8)

а) при турбулентном режиме (Re > 10 000)

0,25
 Pr 
Nu  0,021Re0,8 Pr0,43 ж  ; (9)
 
Pr
 
ст

б) при переходном режиме (10 000 > Re > 2 320)

0,9 0,43
Nu  0,008Re Pr ; (10)

в) при ламинарном режиме (Re < 2 320)

0,25
 Pr 
Nu  0,17Re0,33 Pr0,43Gr0,1 ж  . (11)
 
Pr
 
ст

При движении среды в межтрубном пространстве кожухотруб-
ного теплообменника при отсутствии перегородки

0,6 0,23
Nu 1,16d Re Pr , (12)
э
2 2
D nd
где d  в н – эквивалентный диаметр межтрубного простран-
э
nd
н
ства, м; D – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м; d –
в н
наружный диаметр внутренней трубы, м; n – число труб.
При эксплуатации теплообменных аппаратов потери теплоты
Q стенками аппарата в окружающую среду происходят как за счѐт
п
теплового излучения, так и за счѐт конвекции

 
Q   F t t (13)
п с ст в
5
где F – наружная поверхность аппарата, м2; t – температура на-
ст
ружной стенки аппарата, оС; t – температура окружающего воздуха,
в
оС;  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К).
c
Для аппаратов с температурой наружной стенки до 150 оС
и находящихся в помещении,  = 9,74+0,07(t t ).
c ст в

Цель работы

1. Изучить устройство и принцип действия трубчатой тепло-
обменной установки.
2. Экспериментально определить коэффициент теплопередачи
при разных скоростях движения среды.
3. Провести сравнение полученных опытным путем значений
коэффициентов теплопередачи с рассчитанным по уравнению
(7).
4. Определить коэффициент регенерации при разных скоро-
стях движения среды.
5. Определить потери теплоты стенками аппарата в окружаю-
щую среду.

Описание установки и методика проведения работы

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Установка включает в себя горизонтальный трубчатый теплообмен-
ный аппарат, состоящий из двух одинаковых секций С и С , элек-
1 2
трического парогенератора ПГ и мерника М. Первая и вторая секции
соединены между собой переходным коленом. В качестве теплооб-
менивающихся сред используется вода. Техническая характеристика
теплообменника представлена в табл. 1.
Для обогрева секции С используется насыщенный водяной
2
пар, поступающий в межтрубное пространство секции из парогенера-
тора. Секция С обогревается водой, поступающей в межтрубное
1
пространство из секции С .
2
Установка работает следующим образом. При открывании
вентиля В , вода из трубопровода поступает в трубное пространство
1
секции С , где нагревается от температуры t до температуры t . Затем
1 1 2
по переходному колену вода поступает в секцию С , где паром нагре-
2
6
вается до температуры t . Причѐм, количество воды, проходящее че-
3
рез секции С и С , которое замеряется в мернике объѐмным мето-
1 2
дом, одинаково. Таким образом в секции С исследуется процесс на-
2
гревания, а в секции С процесс рекуперации тепла.
1

t t
2 1
C
1
P t t
2 ст 3 B
1
C
2
t
5
B
3
t
6 B
B 4
2
P Конденсат
1
ПГ
t
4
М
~ u

Рис. 1. Схема установки

7
Таблица 1

Техническая характеристика теплообменника

Показатель Обозначение Единица Значение
Длина секции l м 0,72
Наружный диаметр D м 35·10-3
Количество трубок n шт 8
Внутренний диаметр трубки d м 4·10-3
в
Наружный диаметр трубки d м 6·10-3
н
Материал трубки латунь

Для исследования процесса нагревания и рекуперации тепла
необходимо открыть вентиль В подачи воды и замерить расход воды
1
поступающей в мерник М. Затем снять показания термометров и ма-
нометра Р и занести их в табл. 2. Причѐм, снимать показания прибо-
2
ров необходимо при установившемся режиме, который наступает то-
гда, когда показания термометра t не изменятся 2–3 минуты.
3
Здесь t – температура воды на входе в трубное пространство
1
секции С , оС; t – температура воды на выходе из секции С , оС;
1 2 1
t – температура воды на выходе из секции С , оС; t – температура
3 2 4
воды на выходе из межтрубного пространства секции С , оС; t – тем-
1 6
пература конденсации пара выходящего из секции С , оС; Р – давле-
2 2
ние греющего пара в паровой рубашке секции С , кг/см2; t – темпе-
2 ст
ратура стенки секции С , оС; t – температура воздуха в помещении,
2 в
оС; t – температура греющего пара, оС.
5
Провести 3–4 опыта при различных расходах воды. Результаты
испытаний занести в табл. 2.
Таблица 2

№ V, τ, t , t , t , t , t , t , t , P , t , P
1 2 3 4 6 ст в 2 5
п/п л с оС оС оС оС оС оС оС кг/см2 оС кПа
1
2
3
4

Пользуясь таблицей зависимости температуры насыщенного
пара от давления, определить температуру t по давлению Р и ре-
5 2
зультаты занести в табл. 2. Температуру t находят из условия:
6

t = t – (2÷3) ºС
6 5
8
Обработка опытных данных

Подсчитать поверхность теплообмена в каждой секции, м2

F  dln,

где n – число трубок; l – их длина, м; d – диаметр, м.
По уравнению расхода определить скорость воды, м/с

V
v 
,
f

где f – площадь поперечного сечения восьми труб, м.
Определить среднюю температуру нагретой воды в первой
секции
t t
t  1 2 .
ср1
2

Вычислить среднюю температуру нагретой воды во второй
секции
t t
t  2 3 .
ср2
2

Определить среднюю разность температур t и t меж-
cp cp
1 2
ду средами в каждой секции по формуле (5) или (6). Для удобства
расчѐта рекомендуется построить температурные графики для каж-
дой секции (пример построения на рис. 2).
Подсчитать коэффициент теплопередачи для каждой секции
в каждом опыте
 
mc t t
k  2 1 ,
Ft
cp

где m – массовый расход воды в трубном пространстве, кг/с; c – те-
плоѐмкость воды, Дж/(кг·К); t t – степень нагрева или охлаждения
1 2
воды в трубном пространстве секции, oС.

9
а б

t, oC
t
3
t, oC
t t
4 n
t
м
t t2 tб t
3

t
1

t
2

l, м
l, м

Рис. 2 . Температурные графики секций С (а) и С (б).
1 2

При проведении испытания установки как регенератора тепло-
ты в первой секции следует рассчитать коэффициент регенерации по
формуле (3). По формуле (13) рассчитать потерю теплоты в окру-
жающую среду. Результаты обработки опытных данных записать
в табл. 3.
Таблица 3

№ v , t , t , t  t , t  t , t , k , k , t , Q , 
cp1 cp2 2 1 3 2 cp1 1 2 cp2 п
пп м с
oC oC oC oC oC Вт м2 КВт м2 К oC Вт

1
2
3

Для анализа влияния скорости движения воды на коэффициент
теплопередачи построить на миллиметровой бумаге графики
k  f (v). Полученные в опытах значения k сопоставить с рассчитан-
ным по уравнению (7).

10