Самостійна робота № 16 Тема. Інтенсифікація теплових процесів

План

1. Ціль та теоретичні основи інтенсифікації теплових процесів.

2. Основні способи підвищення коефіцієнта тепловіддачі.

3. Регенерація теплоти.

4. Суть акумуляції теплоти та холоду.

Ціль інтенсифікації теплових процесів полягає в підвищенні ефективності роботи апаратів і зниженні витрати ними теплової енергії. Завдання інтенсифікації процесів теплообміну в тепловому устаткуванні випливають з Енергетичної програми країни, що передбачає повсюдну економію енергії шляхом оптимізації технологічних процесів, введення енергозберігаючих режимів роботи апаратів, використання (утилізацію) відпрацьованої теплоти, скорочення втрат енергії.

Як найважливіші напрямки інтенсифікації можна виділити наступні: інтенсифікація теплообмінних процесів, утилізація теплоти, тобто її регенерація.

Інтенсифікація теплообміну. Теоретичним обґрунтуванням прийомів і способів інтенсифікації теплообміну є основні положення теплопередачі. Як уже вказувалося, ефективність теплообміну визначається величиною коефіцієнтів тепловіддачі і термічного опору стінок.

Основними способами підвищення коефіцієнта тепловіддачі є наступні.

1. Забезпечення турбулентного руху теплообмінних середовищ в апараті. З цією метою застосовують перемішування середовищ і різних турбулізующих вставок.

2. Заміна вільної конвекції на примусову чи прискорення конвективного руху теплообмінних середовищ за рахунок прискорення їхньої циркуляції.

Примусову конвекцію можна створювати за рахунок установки різного роду мішалок і вентиляторів. У зв'язку з тим, що одним з найпоширеніших теплообмінних процесів у суспільному харчуванні є кип'ятіння, для прискорення готування їжі і скорочення енергетичних витрат варто шукати шляху скорочення тривалості нагрівання рідини до температури кипіння. У більшості випадків нагрівши рідини здійснюють без використання яких-небудь прийомів, що скорочують час нагрівання. Застосування перемішування хоча і прискорює процес, але чи вимагає спеціальних чи пристроїв витрат ручної праці. У зв'язку з цим воно поки не знайшло широкого поширення. Циркуляцію рідини у варильних апаратах можна прискорити за рахунок раціонального розташування поверхонь, що гріють. У зв'язку з цим доцільно застосовувати кільцеподібні поверхні, що гріють, розташовані в днищах і на бічних стінках апаратів. У цьому відношенні дуже перспективні гнучкі нагрівальні системи, що дозволяють розташовувати поверхні, що гріють, на будь-яких ділянках апарата.

3. Видалення повітря і неконденсуючих газів із просторів апаратів, що гріють, працюючих на паровому обігріві. Наявність повітря і неконденсуючих газів різко знижує коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки.

4. Своєчасний і повний відвід конденсату з парових просторів Високий рівень конденсату істотно знижує ефективність теплообміну.

5. Підвищення середньої різниці температур і теплового потоку в тих випадках, коли це можливо по технологічних умовах теплової обробки продукції.

6. Оптимізація розмірів і форми продуктів, що піддаються тепловій обробці. Установлено, що ефективність варкі і жаркі залежить не тільки від температурних режимів, але також від форми і розмірів самого продукту. Існують оптимальні форми і розміри продукту, що дозволяють швидше довести їх до кулінарної готовності при максимальному збереженні харчової цінності.

7. Правильний вибір виду теплового апарата в залежності від їжі, що готується.

8. Зниження термічного опору стінок апаратів і нагрівальних пристроїв. Найбільш розповсюдженими причинами збільшення термічного опору стінок теплових апаратів є накипутворення, відкладення на поверхні, що гріє, істотний термічний опір, як правило, завжди роблять сажа в газоходах і пригар продукту.

Регенерація теплоти. Багаторічна практика харчових галузей промисловості (особливо молочної) переконливо довела, що найбільш раціональний шлях утилізації і економії теплової енергії її регенерація. Суть регенерації в тому, що гарячі рідина або газ використовуються для попереднього нагрівання холодних рідин або газів.

Регенерація найбільш прийнятна там, де гарячу рідину необхідно прохолоджувати. Регенерація теплоти можлива не тільки від продукту до продукту, але через проміжний агент, наприклад воду. В більш широкому змісті регенерацію теплоти можна розуміти як нагрів продукту або проміжного агента за рахунок теплоти продукту, теплоносія, нагрітих елементів апаратури, температуру яких необхідно понизити. Найпростіший і найдоступніший спосіб регенерації може бути продемонстрований на прикладі пристрою для отримання питної охолоджуваної кип'яченої води (мал. 2.15). Сира вода з початковою температурою tH надходить в регенератор, що представляє собою пластинчастий або трубчастий теплообмінник. Тут за рахунок теплоти, що передається гарячою кип'яченою водою, сира вода нагрівається до температури регенерація tp. Далі прогріта вода надходить в кип'ятильник і нагрівається до температури кипіння tK. З кип'ятильника вода спрямовується в регенератор, де вона віддає свою теплоту сирій воді. З регенератора вода виходить, маючи температуру tp.K, і надходить в охолоджувач охолоджується до температури t⁰.K.

Регенерацію можна виробляти за принципом прямотоку і противотоку

(мал. 2.16). Значення коефіцієнта регенерації при першому і другому випадках різні.

Значно ефективніше застосовувати протівоточну регенерацію.

Фізичне значення коефіцієнта регенерації полягає в тому, що він показує, яка частина теплоти, витраченої на нагрівання продукту від початкової до кінцевої температури, використовується для нагрівання нових порцій продукту від початкової температури до температури регенерації. Чим виший коефіцієнт, тим вища теплова єфективність регенераторів. На практиці в підприємствах харчування широко використовуються регенератори.

В харчуванні є широкі можливості для використання регенерації. Вже зараз існують протиточні регенератори, в яких підводний конденсат з варочного апарату нагріває воду, що надходить в пароутворувач цього варочного апарату. Створені пристрої для попереднього підігріву води за рахунок теплоти продуктів згоряння.

Акумуляція теплоти. Суть акумуляції теплоти та холоду полягає в тому, що нагріта або охолоджена вода поміщається в ізольовані ємності, де вона зберігає первісну температуру в течії до декількох (до 15) годин. Потім по мірі потреби в гарячій або холодні воді її направляють на технологічні, допоміжні цілі.

В більшості випадків виявляється раціональним нагрівати або охолоджувати воду в години мінімального споживання електричної, теплової енергії та холода. Акумуляція теплоти дозволяє істотно скоротити витрати енергії в години максимального споживання електрики, газу та холоду.

Мал. 2.15. Схема регенерації теплоти на установці для отримання охолодженої кип'яченої води: 1 - кип'ятильник; 2 – регенератор; 3 – охолоджувач.

Мал. 2.16. Схема здійснення регенерації теплоти: а – за принципом прямотоку; б – за принципом противотоку.