5.3.2 Методика виконання теплових розрахунків

При проектуванні теплообмінної апаратури необхідно враховувати, що незважаючи на різноманітність теплообмінні апарати повинні відповідати певним загальним вимогам. До цих вимог відносяться:

• висока теплова продуктивність, економічність в роботі;

• забезпечення заданих технологічних умов процесу високої якості готового продукту;

• простота конструкції, компактність, надійність в роботі, зручність монтажу;

• відповідність вимогам охорони праці і правилам Держтехнагляду.

Кожна з цих вимог досягається певними шляхами.

Висока теплова продуктивність визначається інтенсивним теплообміном, підтримуванням оптимального режиму роботи.

Економічність роботи теплообмінного апарату може бути досягнута малими витратами енергії, максимальній механізації та автоматизації обслуговування.

Забезпечення заданих технологічних умов процесу і високої якості продукту досягається вибором оптимальних температурних теплоносіїв, правильним розрахунком поверхні теплообміну, суворою циклічністю чи безперервністю процесу і зручністю його регулювання.

Простота конструкції, здешевлення матеріалу, компактність, зручність монтажу і ремонту, відповідність вимогам охорони праці досягається правильним вибором типу апарату і його поверхні теплообміну, ступенем складності основних вузлів і деталей.

Виконання правил Держтехнагляду гарантує безпеку експлуатації обладнання.

При проектуванні теплообмінних апаратів розраховують витрати теплоносія (пари, повітря чи води) на підігрівання, охолодження чи випаровування продукту, площу поверхні теплообміну, конструктивні розміри, розраховують також на міцність основні деталі апарата.

Розрізняють два види розрахунків апаратів: конструктивні і перевірочні.

Конструктивний розрахунок проводиться тоді, коли відомі параметри теплоносіїв на вході і виході теплообмінника та їх витрати чи витрати теплоти (продуктивність апарата). В цьому випадку попередньо вибирають конструкцію апарату, потім визначають загальну поверхню теплообміну, конструктивні розміри поверхні теплообміну і основних елементів, а потім розраховують на міцність основні деталі апарата.

Перевірочні розрахунки виконують для визначення можливості використання готових апаратів для заданого процесу чи певних умов, які забезпечують оптимальний режим роботи обладнання.

Конструктивні параметри апарата залежать перш за все від способу передачі теплоти від одного теплоносія до іншого.

Теплота від гарячого теплоносія до стінки і від стінки до холодного теплоносія, передається за рахунок конвекції, а через стінки – за рахунок теплопровідності. Теплота від стінки у навколишнє середовище передається одночасно і конвекцією, і променевим випромінюванням.

Тепловий розрахунок теплообмінних апаратів заснований на спільному розв’язанні рівняння теплового балансу і рівняння теплопередачі.

З рівняння теплового балансу можна знайти кількість теплоти, що витрачається на тепловий процес, а також витрати теплоносіїв (наприклад, пари і води). Рівняння теплопередачі визначити площу поверхні теплообміну, що необхідна для проведення теплообмінного процесу. Розрахункові формули наведено у відповідних підручниках та спеціальній літературі.

Визначення витрат теплоносія.

Витрати теплоносія для теплообмінників безперервної дії при незмінному агрегатному стані продукту.

Витрати охолоджуючого агента гріючої пари (первинного теплоносія) для охолодження чи підігрівання продукту (вторинного теплоносія) визначають в такій послідовності. Спочатку складають тепловий баланс процесу. Початкову і кінцеву температуру теплоносіїв приймають у відповідності з технологічним процесом за довідковими даними. Кількість оброблюваного харчового продукту буває, як правило, відома. При необхідності в рівнянні теплового балансу враховують і витрати теплоти на нагрівання апарата під час пуску.

Витрати теплоносія для теплообмінників безперервної дії при змінюваному агрегатному стані продукту.

До теплообмінних апаратів такого типу можна віднести, наприклад, вакуум-апарат для уварювання карамельної маси, сусло-варильні котли та ін. Витрати пари в цих теплообмінних апаратах також визначають з рівняння теплового балансу. Величини, що входять в це рівняння, визначають таким чином. При розрахунку апарата задають його продуктивність по вхідному продукту чи по готовому продукту, тоді одна з них може бути визначена з рівняння сухих речовин.

Початкову температуру продукту визначають з умов технологічного процесу, кінцеву температуру кипіння продукту знаходять за довідковими даними у залежності від його конструкції та абсолютного тиску в камері, куди входить продукт. Теплоємність продуктів знаходять звичайно за довідковими даними у залежності від їх температури й концентрації.

Параметри гріючої пари вибирають так, щоб його температура була на 5-20^оС вище температури кипіння продукту як правило, на харчових підприємствах у якості нагріваючого агента використовують насичену водяну пару із середнім тиском 0,6-0,8 МПа. Прийнявши для розрахунку його робочий тиск, можна по таблицях властивостей водяної насиченої пари знайти його температуру та інші параметри.

Кількість вторинної пари (вологи що випаровується) визначають звичайно з рівняння матеріального балансу. Параметри вторинної пари залежить від абсолютного тиску у вакуум-камері і визначають за тими ж таблицями.

Витрати теплоносія для теплообмінників періодичної дії.

Витрати пари в теплообмінних апаратах періодичної дії визначають також з рівняння теплового балансу, вид якого залежить від характеру теплового балансу (охолодження чи нагрівання).

З тепловим розрахунком багатокорпусних випарних апаратів можна докладно ознайомитись в курсі «Процеси і апарати харчових виробництв», а також в навчальних посібниках по технологічному обладнанню цукрового виробництва.

Визначення площі поверхні теплообміну.

Площу поверхні теплообміну, що необхідна для проведення теплового процесу в нагріваючих та охолоджуючих апаратах, визначають з рівняння теплопередачі. При розрахунку коефіцієнтів теплопередачі найбільш трудно визначити коефіцієнти тепловіддачі α₁ і α₂. Величина цих коефіцієнтів залежить від гідродинамічних факторів (швидкості, ламінарного чи турбулентного характеру руху теплоносіїв), фізичних факторів (в’язкості, щільності, теплопровідності та інших параметрів теплоносіїв), а також геометричних параметрів поверхні теплообміну. Теорію цих розрахунків можна знайти в літературі по теплопередачі, процесам і апаратам харчових та хімічних виробництв, теплообмінним апаратам харчових виробництв тощо.

Розрахунок основних конструктивних розмірів теплообмінних апаратів.

Спочатку з рівняння витрат визначають розміри перерізу трубопроводів, патрубків, штуцерів і каналів для проходження теплоносіїв. В апаратах з трубчатою поверхнею теплообміну спочатку визначають кількість теплообмінних трубок одного ходу. Загальна поверхня теплообміну складається з поверхонь всіх трубок. Потім розраховують і визначають число ходів трубного простору, загальну кількість трубок в багатозаходному апараті, вибирають спосіб розміщення трубок в трубних решітках, відстань між трубками та інші конструктивні параметри.

В апаратах із змійовиковою поверхнею теплообміну площа її дорівнює геометричній поверхні труби змійовиків. При конструюванні змійовиків звичайно задаються певним відношенням довжини труби змійовика до її діаметру. Незначні особливості мають розрахунки конструктивних розмірів пластинчасих теплообмінників і теплообмінників типу «труба в трубі». Сферичні двотільні котли звичайно виконують у виді сферичного сегмента, а не у виді напівсфери. Приблизні розрахунки можна вести як для котла, виконаного у виді напівсфери.

Розрахунок апаратів спеціального призначення виконують згідно методикам, викладеним у відповідній літературі у залежності від умов технологічного процесу і тієї галузі промисловості, де намічається встановлення апарата.

Гідравлічні розрахунки.

Розраховують втрати тиску на подолання тертя потоками теплоносіїв та місцевих опорів в трубопроводах і арматурі (у залежності від режимів руху, шорсткості труб з врахуванням коефіцієнтів місцевих опорів).

В апаратах спеціального типу, що мають пористі (зернисті) шари і посадки, визначають еквівалентний діаметр, а потім з урахуванням режиму руху рідини визначають втрати тиску.

У залежності від витрат теплоносія і тиску, необхідного для його перекачування на всіх магістралях апарату з врахуванням раніше знайдених втрат тиску, підбирають насоси та електродвигуни для їх приводу.