4. Теплотехнический расчет

Во всех отраслях пищевой промышленности технологические процессы связаны с использованием тепла. Многие виды сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов подвергаются нагреванию, охлаждению, темперированию, выпариванию, высушиванию.

При этом применяется большое количество видов теплоиспользующих установок, в том числе теплообменников, варочных и выпарных аппаратов, сушилок и т.п.

Теплообменные аппараты могут быть периодического или непрерывного действия.

При проектировании теплообменной аппаратуры студентам необходимо знать, что, несмотря на свое многообразие, все теплообменные аппараты должны отвечать определенным общим требованиям. К этим требованиям относятся: высокая производительность, экономичность в работе, обеспечение заданных технологических условий процесса и высокого качества готового продукта, простота конструкции, компактность, надежность в работе, удобство монтажа и ремонта, соответствие требованиям охраны труда и правилам Госгортехнадзора.

Каждое из этих требований достигается определенными приемами и методами.

Высокая производительность определяется интенсивным теплообменом, поддержанием оптимального режима работы.

Экономичность работы теплообменного аппарата может быть достигнута малыми затратами энергии, максимальной механизацией и автоматизацией обслуживания.

Обеспечение заданных технологических условий процесса и высокого качества продукта достигается выбором оптимальных температур теплоносителей, правильным расчетом поверхности теплообмена, строгой цикличностью или непрерывностью процесса и удобством его регулирования.

Простота конструкции, дешевизна материала, компактность, удобство монтажа и ремонта, соответствие требованиям охраны труда достигаются правильным выбором типа аппарата, формы поверхности теплообмена, степенью сложности основных узлов и деталей.

Выполнение правил Госгортехнадзора гарантирует безопасность эксплуатации оборудования.

При проектировании теплообменных аппаратов рассчитывают расход теплоносителя (пара, воздуха или воды) на подогрев, охлаждение и выпаривание продукта, площадь поверхности теплообмена, конструктивные размеры; рассчитывают также на прочность основные узлы аппарата.

Различают два вида расчетов аппаратов: конструктивные и поверочные.

Конструктивный расчет производится, когда известны параметры теплоносителей на входе и выходе и их расход или расход тепла. В этом случае предпочтительно выбирать конструкцию аппарата, а затем расчетом определяют общую поверхность теплообмена, конструктивные размеры поверхности теплообмена и основных элементов аппарата, а затем рассчитывают на прочность основные детали аппарата.

Поверочные расчеты выполняются для определения возможности использования готовых аппаратов для заданного процесса или определенных условий, обеспечивающих оптимальный режим работы аппаратов.

Конструктивные параметры аппарата зависят, прежде всего, от способа передачи тепла от одного теплоносителя к другому.

При передаче тепла через стенку тепло от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю передается конвекцией, а через стенку - теплопроводностью. Тепло от стенки в окружающий воздух передаётся одновременно и конвекцией и лучеиспусканием.

Тепловой расчёт теплообменных аппаратов основан на совместном решении уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Из уравнения теплового баланса можно найти количество тепла, расходуемого на тепловой процесс, а также расход теплоносителей (пара и воды). Уравнение теплопередачи позволяет определить площадь поверхности теплообмена, необходимую для проведения теплового процесса. Соответствующие формулы даны в учебниках по курсам "Термодинамика и теплопередача» и «Промышленная теплотехника».

Определение расхода теплоносителя

1. Расход теплоносителя для теплообменников непрерывного действия при неизменном агрегатном состоянии продукта.

Расход греющего пара (первичного теплоносителя) для подогрева продукта определяется в следующей последовательности.

Вначале составляется тепловой баланс процесса. Начальная и конечная температуры теплоносителей принимаются в соответствии с технологическим процессом. Удельная теплоёмкость теплоносителей определяется по справочным данным. Количество обрабатываемого пищевого продукта, как правило, известно.

При необходимости в уравнении теплового баланса следует учесть и расход тепла на разогрев аппарата во время его пуска.

2. Расход теплоносителя в теплообменных аппаратах при изменяющемся агрегатном состоянии продукта.

К теплообменным аппаратам такого типа можно отнести, например, вакуум-аппарат для уваривания сиропов.

Расход пара в этих теплообменных аппаратах также определяются из уравнения теплового баланса.

Входящие в это уравнение величины находят следующим образом.

При расчёте аппарата задаётся его производительность либо по исходному продукт), либо по готовому продукту, тогда один из них может быть определён из уравнения баланса сухих веществ.

Начальная температура продукта определяется из условий технологического процесса; конечная температура кипения продукта находится по справочным данным в зависимости от его концентрации и абсолютного давления в камере, куда выходит продукт. Теплоёмкость продуктов находится обычно по справочным данным в зависимости от их температуры и концентрации.

Параметры греющего пара выбирают так, чтобы его температура была на 7-10 °С выше температуры кипения продукта.

Количество вторичного пара (выпариваемой влаги) определяется из уравнения материального баланса.

3. Расход теплоносителя в теплообменных аппаратах периодического действия.

Расход пара в теплообменных аппаратах периодического действия находится также из уравнения теплового баланса, вид которого зависит от характера теплового процесса (охлаждения или нагревания).

Определение поверхности теплообмена

Поверхность теплообмена, необходимая для проведения теплового процесса в нагревающих и охлаждающих аппаратах, определяется из уравнений теплопередачи.

При расчёте процесса теплопередачи наибольшие трудности представляет определение коэффициентов теплоотдачи, α₁ и α_2. Величина этих коэффициентов зависит от гидродинамических факторов (скорости движения, ламинарного или турбулентного характера движения теплоносителей), физических факторов (вязкости, плотности, теплоёмкости и других параметров теплоносителей), а также геометрических параметров поверхности теплообмена. Методы этих расчётов можно найти в литературе по теплопередаче и процессам и аппаратам пищевых и химических производств.

Расчет основных конструктивных размеров теплообменных аппаратов

1. Определяется размер сечения для прохода теплоносителей.

2. В аппаратах с трубчатой поверхностью теплообмена вначале определяется количество теплообменных трубок одного хода. Общая поверхность теплообмена слагается из поверхностей всех трубок. Затем рассчитывается и определяется число ходов трубного пространства, общее количество трубок в многозаходном аппарате, способы размещения трубок в трубных решетках, расстояния между трубками в другие конструктивные параметры.

3. В аппаратах со змеевиковой поверхностью теплообмена величина её равна геометрической поверхности трубок змеевика.

При конструировании змеевиков обычно задаются определенным отношением длины трубы змеевика к ее диаметру.

Незначительные особенности имеют расчеты конструктивных размеров пластинчатых теплообменников, спиральных теплообменников и теплообменников типа «труба в трубе»