Добавил:
Без скрытых скриптов, криптомайнинга, вирусов и прочего, - чистая литература. 你好,所有那些谁花时间翻译中国 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Д6727 Федоров КМ Процессы и аппараты Лаб раб 6-10

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
13.09.2020
Размер:
1.49 Mб
Скачать

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 пособие 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 технологий, 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 наиболее распространѐнных процессов является тепловая обработка продуктов.

В зависимости от характера и цели технологического процесса тепловая обработка должна обеспечивать поддержание температуры продукта на определѐнном уровне, а также нагревание или охлаждение его.

Пищевые жидкости с целью их пастеризации или стерилизации необходимо нагреть до высокой температуры, затем эти жидкости охлаждают до сравнительно низкой температуры. Раздельно проводить эти два процесса экономически невыгодно. Если горячую жидкость пустить внутри труб теплообменного аппарата, а холодную подавать 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, поступающей на подогрев, с целью утилизации теплоты горячей среды, в технике принято называть рекуперацией теплоты.

Количество теплоты, идущей на стерилизацию или нагревание

без рекуперации

 

 

Q mc t3 t1

,

(1)

где t3 – температура продукта после пастеризации или стерилизации, оС; t1 – температура продукта до нагревания, оС; c – теплоѐмкость,

Дж/(кг·К); m – производительность аппарата, кг/с.

Холодный продукт, проходя через рекуператор, будет нагреваться от температуры t1 до температуры рекуперации t2, несколько меньшей температуры t3.

Количество теплоты, используемой в рекуператоре, находится

из уравнения

 

 

Qp mc t2 t1

.

(2)

3

Эффективность работы рекуператора характеризуется коэффициентом рекуперации, который представляет собой отношение количества теплоты, использованной в рекуператоре, к количеству теплоты, необходимой для нагревания продукта от его начальной температуры до температуры пастеризации или стерилизации

 

Qp

 

t

2

t

 

 

 

1

.

(3)

 

 

 

 

 

Q

 

t

3

t

 

 

 

 

 

1

 

 

Основной характеристикой любого теплового процесса является количество подаваемой теплоты, от которого зависит величина необходимой поверхности теплообмена.

Для установившегося процесса перехода теплоты применимо основное уравнение теплопередачи

Q kF tcp ,

(4)

где Q – количество подаваемой теплоты, Вт; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); F – поверхность теплообмена, м2; tcp – средняя разность температур между средами.

Среднюю разность температур рассчитывают по формуле

tcp

tб tм

 

(5)

 

tб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,3lg

tм

 

 

 

 

 

 

где tб и tм – большая и меньшая разности температур между сре-

дами. Если отношение tб tм 2 , то с достаточной точностью вместо теоретической формулы можно применять более простую

t tб tм . (6)

cp

2

 

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле

k

 

 

 

1

 

 

 

,

(7)

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

4

где 1 – коэффициент теплоотдачи от горячей среды к

стенке,

Вт/ м2 К ; – толщина стенки, м;

– коэффициент теплопроводно-

сти материала стенки, Вт/ м К ;

2 – коэффициент теплоотдачи

от стенки к холодной жидкости, Вт/ м2 К .

 

 

 

 

При движении среды внутри труб коэффициент теплоотдачи

находят по одной из следующих формул:

 

 

 

 

Nu dэ ;

 

 

 

(8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) при турбулентном режиме (Re > 10 000)

 

 

 

 

0,25

 

Nu 0,021Re0,8 Pr0,43

Prж

 

 

;

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

Prст

 

 

 

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

 

Nu 0,008Re0,9 Pr0,43 ;

 

(10)

в) при ламинарном режиме (Re < 2 320)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,25

 

Nu 0,17 Re0,33 Pr0,43 Gr 0,1

Prж

 

.

(11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prст

 

 

При движении среды в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника при отсутствии перегородки

 

 

 

 

 

Nu 1,16d

э

Re0,6

Pr0,23 ,

(12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2

nd 2

 

 

 

 

где d

э

в

н

– эквивалентный диаметр межтрубного простран-

 

 

 

 

ndн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ства, м; Dв – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м; dн

наружный диаметр внутренней трубы, м; n – число труб.

При эксплуатации теплообменных аппаратов потери теплоты Qп стенками аппарата в окружающую среду происходят как за счѐт теплового излучения, так и за счѐт конвекции

Qп с F tст tв

(13)

5

где F – наружная поверхность аппарата, м2; tст – температура наружной стенки аппарата, оС; tв – температура окружающего воздуха, оС; c – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К).

Для аппаратов с температурой наружной стенки до 150 оС и находящихся в помещении, c = 9,74+0,07 (tст tв ).

Цель работы

1.Изучить устройство и принцип действия трубчатой теплообменной 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 скоростях движения среды.

5.Определить потери теплоты стенками аппарата в окружающую среду.

Описание установки и методика проведения работы

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Установка включает в себя горизонтальный трубчатый теплообменный аппарат, состоящий из двух одинаковых секций С1 и С2, электрического парогенератора ПГ и мерника М. Первая и вторая секции соединены между собой переходным коленом. В качестве теплообменивающихся сред используется вода. Техническая характеристика теплообменника представлена в табл. 1.

Для обогрева секции С2 используется насыщенный водяной пар, поступающий в межтрубное пространство секции из парогенератора. Секция С1 обогревается водой, поступающей в межтрубное пространство из секции С2.

Установка работает следующим образом. При открывании вентиля В1, вода из трубопровода поступает в трубное пространство секции С1, где нагревается от температуры t1 до температуры t2. Затем по переходному колену вода поступает в секцию С2, где паром нагре-

6

вается до температуры t3. Причѐм, количество воды, проходящее через секции С1 и С2 , которое замеряется в мернике объѐмным методом, одинаково. Таким образом в секции С2 исследуется процесс нагревания, а в секции С1 процесс рекуперации тепла.

B2

P1

t2

t1

C1

P2

tст

t3

B1

 

 

 

 

C2

 

 

t5

B3

t6

B4

Конденсат

ПГ

t4

 

~ u

М

 

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

dв

м

4·10-3

Наружный диаметр трубки

dн

м

6·10-3

Материал трубки

 

 

латунь

Для исследования процесса нагревания и рекуперации тепла необходимо открыть вентиль В1 подачи воды и замерить расход воды поступающей в мерник М. Затем снять показания термометров и манометра Р2 и занести их в табл. 2. Причѐм, снимать показания приборов необходимо при установившемся режиме, который наступает тогда, когда показания термометра t3 не изменятся 2–3 минуты.

Здесь t1 – температура воды на входе в трубное пространство секции С1, оС; t2 – температура воды на выходе из секции С1, оС; t3 – температура воды на выходе из секции С2, оС; t4 – температура воды на выходе из межтрубного пространства секции С1, оС; t6 – температура конденсации пара выходящего из секции С2, оС; Р2 – давление греющего пара в паровой рубашке секции С2, кг/см2; tст – температура стенки секции С2, оС; tв – температура воздуха в помещении, оС; t5 – температура греющего пара, оС.

Провести 3–4 опыта при различных расходах воды. Результаты испытаний занести в табл. 2.

Таблица 2

V,

τ,

t1,

t2,

t3,

t4,

t6,

tст,

tв,

P2,

t5,

P

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 t5 по давлению Р2 и результаты занести в табл. 2. Температуру t6 находят из условия:

t6 = t5 – (2÷3) ºС

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

tср1 t1 t2 . 2

Вычислить среднюю температуру нагретой воды во второй секции

tср2 t2 t3 . 2

Определить среднюю разность температур tcp1 и tcp2 меж-

ду средами в каждой секции по формуле (5) или (6). Для удобства расчѐта рекомендуется построить температурные графики для каждой секции (пример построения на рис. 2).

Подсчитать коэффициент теплопередачи для каждой секции в каждом опыте

k mc t2 t1 , F tcp

где m – массовый расход воды в трубном пространстве, кг/с; c – теплоѐмкость воды, Дж/(кг·К); t1 t2 – степень нагрева или охлаждения воды в трубном пространстве секции, oС.

9

а

 

б

 

 

t, oC

 

t3

 

 

 

 

 

 

t4

 

t, oC

tn

 

 

 

 

 

 

 

 

tм

t

t2

 

tб

t3

 

 

t1

 

 

 

 

 

t2

l, м

l, м

 

Рис. 2 . Температурные графики секций С1 (а) и С2 (б).

 

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

Таблица 3

v ,

tcp1,

tcp2,

t

2

t ,

t

3

t

2

,

t

cp1

,

k ,

k

2

,

tcp2 ,

Q ,

 

пп

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

п

 

м с

o C

o C

 

o C

 

o C

 

 

o C

 

Вт м 2 К

Вт м 2 К

o C

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 рассчитанным по уравнению (7).

10