МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт ветеринарной медицины
Реферат
По дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»
Тепловые процессы. Теплообменники. Схемы
Выполнил:
Земсков Александр Юрьевич
Проверил:
Змейкина И.Е.
Троицк 2019
Содержание
Введение
1. Тепловые процессы
2. Теплообменники
2.1 Классификация и типы теплообменных аппаратов в пищевых производствах
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Ускорение научно-технического прогресса в пищевой промышленности на ближайшие годы требует создания безотходных технологий, максимальной механизации и автоматизации производства, внедрения новых видов высокопроизводительного оборудования, роста производительности труда и повышение качества продукции. Современная пищевая промышленность включает множество разнообразных производств, перерабатывающих сырье, различающиеся физико-химическими свойствами, что обуславливает характер и условия проведения технологических процессов.
Теплообменный аппарат или попросту теплообменник - одно из немногих технических устройств, хорошо известных даже весьма дал?ким от техники людям. В самом деле, в каждой квартире под подоконником установлены радиаторы отопления - массивные, ощетинившиеся р?брами чугунные трубы, или более современные, более изящные их аналоги. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель - горячая вода - отда?т через металлическую стенку теплоту воздуху наших квартир.
Радиаторы отопления - самые распростран?нные и самые известные, но, пожалуй, не самые ответственные теплообменники. В конце концов, если они по какой-то причине и откажут, день-другой вполне можно перебиться: включить электрические обогреватели или, в крайнем случае, потеплее одеться. А в промышленности редкое производство может обойтись без над?жно работающих теплообменников.
Только в химической индустрии теплообменные устройства составляют свыше трети массы и стоимости всего оборудования. Химические реакции идут при определ?нной температуре; от температуры зависит скорость процессов, активность катализаторов, полнота превращений, чистота продуктов. В одном случае потоки необходимо нагревать, в другом - охлаждать, в третьем - утилизировать неиспользованное тепло. И везде требуются теплообменники - разных размеров, разных конструкций. Они требуются не только в нефтехимии и нефтепереработке, но и в тепловой и атомной энергетике, в металлургии, пищевой промышленности. И хотя в теплообменниках не происходят превращения веществ, эти аппараты относят к основным - к тем, что составляют фундамент аппаратурного оформления технологии.
Есть ещ? одна область техники, где теплообмен имеет решающее значение. Это транспорт. Любое транспортное средство - автомобиль, трактор, морское судно, самол?т, космический корабль - немыслимо без теплообменной 4 аппаратуры (радиаторов). Громоздкий теплообменный аппарат - это лишний вес и объем, перерасход дефицитных материалов. Плохо организованный теплообмен приводит к перегреву двигателей, а порою и к серь?зным авариям. Если в химии от теплообменников зависят скорость и полнота протекания процессов, то на транспорте - над?жность, долговечность, экономичность двигателей.
Великое множество придуманных за сто лет теплообменных аппаратов можно свести к двум основным конструкциям:
теплообменники, в которых теплопередающая поверхность образована трубами (трубчатые);
теплообменники, в которых теплопередающая поверхность образована листовой поверхностью (пластинчатые, спиральные и др.).
Среди теплообменников с трубчатой поверхностью очень часто, особенно в нефтепереработке, применяются двухтрубчатые теплообменники или, как их называют более часто, теплообменники «труба в трубе».
1. Тепловые процессы
К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и другие. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.
По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты - теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.
Теплопроводность - перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.
Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.
Конвективный перенос теплоты - процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газа) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.
В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвенцию. При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы - разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром).
При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.
Интенсивность конвективного переноса, теплоты зависит от распределения скорости в потоке жидкости (газа), т.е. от гидродинамической обстановки, которая в свою очередь зависит от многих факторов: формы теплопередающей поверхности, скорости движения, вязкости, плотности среды.
Тепловое излучение - перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы - электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.
На практике, теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно превалирующее значение имеет какой-нибудь один способ передачи теплоты.
При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или лучеиспусканием) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.
В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передачи теплоты нагретом средой стенке (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты к холодной среде от нагретой стенки (теплоотдача).
2. Теплообменники
Теплообменник - техническое устройство, предназначенное для передачи тепла между нагретой средой и холодной. Чаще всего теплообмен осуществляется через элементы конструкции аппарата, хотя встречаются агрегаты, принцип действия которых основан на смешении двух сред.
Теплообменные аппараты подразделяются на несколько групп в зависимости от:
· типа взаимодействия сред (поверхностные и смесительные);
· типа передачи тепла (рекуперативные и регенеративные);
· типа конструкции;
· направления движения теплоносителя и теплопотребителя (одноходовые и многоходовые).
Наиболее наглядно классификация теплообменных аппаратов представлена на рис.1
Рис. 1. Виды устройств теплообменников в зависимости от принципа работы
2.1 Классификация и типы теплообменных аппаратов в пищевых производствах
При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо максимально удовлетворить многочисленные и в большинстве случаев противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам. Основные из них: соблюдение условий протекания технологического процесса; возможно более высокий коэффициент теплопередачи; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; устойчивость теплообменных поверхностей к коррозии; доступность поверхности теплопередачи для чистки; технологичность конструкции с точки зрения изготовления; экономное использование материалов.
Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителя, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные) и регенеративные.
Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее распространенную и важную группу теплообменных аппаратов, используемых в пищевой промышленности. В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, при этом теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми (трубными). В другой группе поверхностных теплообменников поверхностью теплообмена являются стенка аппарата или металлические плоские листы. Такие теплообменники называются пластинчатыми.
В смесительных (или контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К смесительным теплообменникам относятся, например, градирни.
В регенеративных теплообменниках процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки. Теплообменники этого типа чаще всего применяются для регенерации теплоты отходящих газов.
В пищевой промышленности самое широкое распространение получили поверхностные теплообменники, особенно трубчатого типа. Теплообменники этого типа называются кожухотрубчатыми или кожухотрубными. Они достаточно просты в изготовлении, позволяют развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. конвективный излучение теплообменник сальниковый
Этот тип теплообменной аппаратуры получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и технологии изготовления. Согласно государственному стандарту, кожухотрубные теплообменники изготовляют следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками и жестким кожухом; ТК - с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе; ТУ - с неподвижными трубными решетками и U-образными теплообменными трубами; ТП - с плавающей головкой; ТС - с сальником на плавающей головке.
В зависимости от назначения они могут быть подогревателями, холодильниками, конденсаторами и испарителями и с целью увеличения скорости движения теплоносителей изготовляются двух-, четырех-, шести- и двенадцатиходовыми.
На рис. 2 изображен кожухотрубный вертикальный двухходовой теплообменник типа ТН (левая часть) и ТК (правая часть).
Теплообменник состоит из цилиндрического сварного кожуха 4, трубного пучка 5, распределительной камеры 2 и двух крышек 1, соединенных с кожухом фланцами. Трубная решетка 9 приварена к корпусу.
Перегородка 3 служит для образования двух ходов по трубам. Перегородки 8, зафиксированные стержнем 7, служат для обеспечения зигзагообразного движения теплоносителя в межтрубном пространстве. За счет зигзагообразного движения увеличивается скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплопередачи. Для защиты трубок от эрозии и истирания движущейся средой внутри кожуха напротив входного патрубка установлен обтекатель 10, представляющий изогнутую пластину, приваренную к корпусу.
Вследствие жесткого крепления трубных решеток к кожуху и трубок к решеткам при возникновении разности температур в местах их крепления возникают температурные напряжения, обусловленные различным удлинением кожуха и трубок.
Для частичной компенсации температурных напряжений, которые могут достигать существенных значений, в данных теплообменниках устанавливается линзовый компенсатор 15. Он состоит из двух частей, отштампованных из стальных колец в виде полуволн и сваренных между собой по периметру.
Рис. 2 Двухходовой вертикальный кожухотрубный теплообменник:
1 - крышка; 2 - распределительная камера; 3,8 - перегородки; 4 - кожух; 5 - трубный пучок; 6 - опоры; 7 - стержень; 9 - трубная решетка; 10 - обтекатель; 11…14 - патрубки; 15 - линзовый компенсатор
Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а сами решетки приварены к кожуху. В связи с этим при работе аппарата возникают температурные напряжения, которые при повышении допустимых значений являются причиной нарушения герметичности или появления пластических деформаций элементов конструкции. По этой причине теплообменники типа ТН используются при небольшой разности температур кожуха и труб.
Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает 50-60 єС необходимо использовать полужесткие конструкции типов ТК и ПК либо конструкции с полной компенсацией температурных напряжений (типы ТУ и ТП). Компенсирующая способность линзовых компенсаторов пропорциональна числу элементов, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется из-за снижения жесткости кожуха. Применение линзовых компенсаторов снижает максимально допустимое давление в межтрубном пространстве. В теплообменниках типа ТУ максимальная разность температур стенок кожуха и труб может достигать 100 єС, а при дальнейшем ее увеличении могут возникнуть опасные напряжения в трубной решетке.