Лабораторный практикум по курсу ''Процессы и аппараты''. Гидромеханические и тепловые процессы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Лабораторный практикум по курсу "Процессы и аппараты" Гидромеханические и тепловые процессы

ИПЦ ВСГТУ Улан-Удэ, 2000

ББК 20.18 Рецензенты: Г.Ф. Ханхасаев, д.т.н., проф. ВСГТУ В.Г. Буркин, к.т.н., доц БГСХА им. В.Р. Филиппова Авторы:

Николаев Г.И. Хантургаев Г.А. Ханхунов Ю.М. Блекус В.Г.

Ухеев Г.Ж. Ильина М.В. Полякова Л.Е. Хараев Г.И.

Лабораторный практикум по курсу "Процессы и аппараты" Г.И. Николаев, В.Г. Блекус, Г.Ж. Ухеев и др.: Учебное пособие. - Улан-Удэ, ИПЦ ВСГТУ, 2000. 141с. Цель лабораторного практикума - закрепление знаний по курсу, практическое изучение процессов на действующих аппаратах, а также приобретение практических навыков пуска, испытания и анализа их работы. В пособии даны методические указания к проведению лабораторных занятий по исследованию гидромеханических и тепловых процессов и аппаратов. Учебное пособие рассчитано на студентов механико-технологических специальностей вузов, колледжей и техникумов, изучающих курсы "Процессы и аппараты". ISBN 5-89230-066-8

© Николаев Г.И. с соавт., 2000 г.

Содержание Введение 1. Лабораторная работа 1. Изучение воздушного мембранного компрессора. 2. Лабораторная работа 2. Изучение кинетики гравитационного осаждения 3. Лабораторная работа 3. Испытание процесса фильтрования. 4. Лабораторная работа 4. Испытание центрифуги периодического действия. 5. Лабораторная работа 5. Изучение процесса микрофильтрации. 6. Лабораторная работа 6. Изучение разделения жидких неоднородных систем методом ультрафильтрации. 7. Лабораторная работа 7. Изучение процесса концентрирования жидких смесей методом обратного осмоса. 8. Лабораторная работа 8. Испытание молотковой дробилки. 9. Лабораторная работа 9. Испытание циклона. 10. Лабораторная работа 10. Испытание лопастной мешалки. 11. Лабораторная работа 11. Изучение процесса теплообмена в теплообменнике типа "труба в трубе". 12. Лабораторная работа 12. Изучение среднего температурного напора теплообмена. 13. Лабораторная работа 13. Исследование коэффициента теплопередачи К в различных режимах движения теплоносителя и обрабатываемого раствора. 14. Лабораторная работа 14. Нагрев жидкостей погружными герметическими электронагревателями. 15. Лабораторная работа 15. Испытание выпарной установки. 16. Лабораторная работа 16. Определение температурных потерь и температуры кипения раствора. 17. Лабораторная работа 17. Изучение коэффициента теплопередачи в выпарных установках. Приложения Рекомендуемая литература Введение В общеинженерной подготовке студентов будущих специалистов промышленности (механиков, технологов, экологов) важную роль играет курс "Процессы и аппараты". Он является переходным от общеинженерного цикла дисциплин к специальному: студенты могут использовать знания, полученные в общеинженерных дисциплинах, для решения важных 3 практических задач по эксплуатации, расчету и проектированию аппаратов промышленной технологии. Особенность курса "Процессы и аппараты" состоит в его комплексном характере: процессы изучаются с самых разных сторон - физико-химической, тепловой, механической и т.п., т.е. так, как они в действительности протекают в зависимости от применяемых методов (операций) обработки. Такие операции, как нагревание, охлаждение, сушка, фильтрование и др. имеют общий характер в разных производствах. поэтому естественно рассмотреть эти процессы в обобщенном курсе на соответствующей основе, необходимой для разработки общих методов расчета процесса и аппаратов. Программа курса "Процессы и аппараты" предусматривает лекции, лабораторные и практические занятия. Цель лабораторного практикума - закрепление знаний по курсу, практическое изучение процессов на действующих аппаратах, а также приобретение практических навыков пуска, испытания и анализа работы аппаратов. Данный практикум составлен на основании опыта работы лаборатории процессов и аппаратов Восточно-Сибирского государственного технологического университета с учетом опыта работы аналогичных лабораторий химико-технологического и пищевых вузов: Мос-

ковского института химического машиностроения, Ленинградского технологического института им. Ленсовета, Московского технологического института пищевой промышленности. Лабораторная работа 1 Изучение воздушного мембранного компрессора Цель работы: определение коэффициента полезного действия компрессора. Общие положения Для перемещения и сжатия газов служат компрессорные машины или компрессоры. Поршневой компрессор простейшей конструкции (рис.1.1) состоит из цилиндра, поршня, совершающего поступательно-возвратное движение. Цилиндр с одной стороны открыт, с другой стороны закрыт крышкой, в который помещаются всасывающий и нагнетательный клапаны. Всасывающий клапан открывается в сторону цилиндра, а нагнетательный клапан открывается в сторону нагнетательного трубопровода. При ходе поршня вправо от крышки между поршнем и крышкой цилиндра создается разряжение, и в цилиндр через автоматически открывающийся всасывающий клапан поступает воздух, так как давление воздуха в цилиндре меньше атмосферного. При обратном движении поршня воздух в цилиндре сжимается, его давление становится выше атмосферного, которое и закрывает всасывающий клапан. Сжатие в цилиндре будет происходить при закрытых клапанах до тех пор, пока давление в цилиндре не станет выше давления в нагнетательном трубопроводе. В это время нагнетательный клапан, обычно прижатый к своему седлу давлением из нагнетательного трубопровода открывается, и сжатый воздух выталкивается в воздухосборник (ресивер), после чего процесс повторяется. Итак, за два хода поршня, соответствующие одному обороту вала, происходит полный рабочий процесс компрессора называемый циклом компрессора.

Рис. 1.1. Схема работы одноступенчатого поршневого компрессора простого действия: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - всасывающий клапан; 5 - шатун; 6 - кривошип; 7 - маховик. Компрессор, в котором при ходе поршня в одном направлении происходят всасывание, а при обратном - сжатие и его выталкивание в нагнетательный трубопровод, называется компрессором простого действия. Недостатком этого компрессора является то, что из двух ходов поршня только один полезный.

Компрессор, в котором цилиндр с обеих сторон закрыт крышками, снабженными всасывающими и нагнетательными клапанами и по одну сторону поршня происходит всасывание, а по другую - сжатие и нагнетание, называется компрессором двойного действия. В этом компрессоре каждый ход поршня является полезным. Эти компрессоры по сравнению с компрессорами простого действия (при одинаковых размерах цилиндра и оборотах) более выгодны, так как дают большую производительность. Индикаторная диаграмма Работу, совершаемую поршнем в цилиндре компрессора, можно изобразить в виде графика, называемого индикаторной диаграммой. Индикаторная диаграмма показывает зависимость между объемом V цилиндра (изменяющимся при движении в нем поршня) и давлением P. На рис. 1.2 приведены индикаторные диаграммы работы, совершаемой компрессором за один оборот вала для теоретического и действительного циклов компрессора

Рис. 1.2. Индикаторные диаграммы. а - теоретический цикл работы компрессора; б действительная диаграмма работы поршневого компрессора. Горизонтальная прямая АВ соответствует процессу всасывания газа, линия ВС - процесс сжатия газа в цилиндре от давления Р1 до давления Р2 (изотермическому ВС или адиабатическому ВС/), горизонтальная линия СД - процессу нагнетания газа. Заштрихованная площадь диаграммы соответствует работе, затрачиваемой на сжатие газа (в данном случае на изотермическое сжатие). В теоретическом, или идеальном, компрессоре отсутствует сопротивление всасывающих и нагнетательных клапанов, трубопроводов и вредное пространство. Вредное пространство компрессора слагается из зазора между поршнем и крышкой. Действительная индикаторная диаграмма работы компрессора отличается от теоретической в силу наличия вредного пространства, понижения давления при всасывании, повышения давления при сжатии. В действительности сжатие газа лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих процессов – изотермическому, или адиабатическому, и протекает по политропе (линия ВС). Техническая характеристика компрессора Тип компрессора - мембранный Производительность (при давлении нагнетания 0,5 кг/см2), л/мин не менее - 10 Частота вращения привода шатуна (номинальная), об/мин - 1500 Номинальная мощность, Вт - 60

Контрольно-измерительные приборы: 1. Манометр. 2. Термометр. 3. Штангенциркуль. Расчет общего КПД компрессорной установки 1. Теоретическая величина работы Lад (Дж/кг), затрачиваемой одноступенчатым компрессором при адиабатическом сжатии 1 кг газа, может быть подсчитана по формуле: К −1   К   Р К  2 (1.1) Lад = RT ×   − 1 К + 1  Р1    Температура газа в конце процесса адиабатического сжатия определяется уравнением:

Т2 Т1

Р  =  2  Р1 

К −1 К

,

(1.2)

где К - показатель адиабаты, равный отношению Ср/Сv; Р1 и Р2 - начальное и конечное давление газа, Па; Т1 и Т2 - начальная и конечная температура газа, оК; Р2 - степень сжатия. Р1 2. Производительность Q (м3/с) поршневого компрессора простого действия определяется по уравнению:

Q = λ

F ⋅s ⋅ n , 60

(1.3)

где λ - коэффициент подачи, безразмерный; F - площадь поршня, м2; n - частота вращения, об/мин; s - длина хода поршня, м. Коэффициент подачи:

λ = (0,8 ÷ 0,95)λ 0 , где λ0 - объемный КПД компрессора, равный

λ0

1   К  Р1   = 1 − ε 0   − 1 , Р   2 

(1.4)

где ε0 - отношение объема вредного (мертвого) пространства цилиндра к объему, описываемому поршнем; ε 0 = 8,5 ÷ 10 %.

3. Мощность N (кВт), потребляемая двигателем одноступенчатого компрессора, сжимающего G кг газа в час от начального давления Р1 до конечного давления Р2, рассчитывается по формуле: N =

G ⋅ Lад 3600 ⋅ 1000η

,

(1.5)

где η - общий КПД компрессорной установки 4. На основании уравнений Клапейрона, плотность ρ (кг/м3) любого газа при температуре Т и давлении Р может быть рассчитана по формуле: ρ = ρ0

Т 0Р М 273Р = , 22,4 ТР 0 ТР 0

(1.6)

М - плотность газа при нормальных условиях, т.е. при Т = 0оС = 273,15 К 22,4 и Р0 = 760 мм.рт.ст. = 1,013*105 Па; М - мольная масса газа, кг/кмоль; Т - температура, оК.

где ρ 0 =

5. Общий КПД мембранного компрессора: η =

G ⋅ Lад 3600 ⋅ 1000N

=

3600 ⋅ Q ⋅ ρ ⋅ Lад 3600 ⋅ 1000n

,

(1.7)

где G = 3600 ⋅ Q ⋅ ρ , кг/ч; N = 60 Вт = 0,06 кВт. Контрольные вопросы

1. Принцип действия компрессора. 2. Индикаторная диаграмма компрессора. Теплодинамические основы процесса сжатия газов. 3. Как расcчитать КПД мембранного компрессора? Лабораторная работа 2 Изучение кинетики гравитационного осаждения

Цель работы: Кинетика гравитационного осаждения. Основные положения

В природе и ряде производств часто встречаемся с неоднородными (гетерогенными) системами. Одни возникают естественным путем, другие в результате тех или иных процессов. В технике неоднородные системы часто приходится разделять на их составные части. Методы разделения выбираются в зависимости от характера составных частей системы. Неоднородные системы классифицируются по агрегатному состоянию тел, из которых эти системы состоят.

Каждая неоднородная система состоит из двух фаз (сред) - дисперсной мелко (взвешенных частиц) и дисперсионной (сплошной). Характеристика методов разделения неоднородных систем В неоднородной системе дисперсная фаза обычно равномерно распределена в дисперсионной среде. Для возможности концентрации компонента, находящегося в состоянии дисперсной фазы, необходимо относительное перемещение фаз. В зависимости от того, какая фаза преимущественно движется относительно другой, различают два основных метода разделения: 1) осаждение; 2) фильтрация. В процессе осаждения частицы дисперсной фазы движутся относительно дисперсной среды. Необходимым условием относительного перемещения фаз в неоднородной системе является воздействие на них силового поля (гравитационного, центробежного, электрического и др.) при наличии разности плотностей фаз. Осаждение под действием силы тяжести твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой или газовой среде, называют отстаиванием. Скорость движения Скорость осаждения взвешенных частиц зависит как от их плотности, так и от степени дисперсности, причем осаждение будет протекать тем медленнее, чем меньшими размерами обладают частицы дисперсной фазы и чем меньше разность плотностей обоих фаз. Практически методом отстаивания пользуются, главным образом, для разделения грубых суспензий. Осаждение происходит по законам падения тел в среде, оказывающей сопротивление их движению. Оседающая частица движется вначале ускоренно, но через некоторый промежуток времени, когда сопротивление трения уравновесит действие силы тяжести, она приобретает постоянную скорость и падает равномерно. Процесс отстаивания описывается критериальным уравнением: Re = Β(Аr) n ,

(2.1)

где в и n - являются опытными величинами и зависят от режима осаждения твердой частицы; значения их для шарообразной частицы приведены в табл. 1 Таблица 1 Режимы Ламинарный Переходный Турбулентный

Ar 3,6 3,6 ÷ 8400 8400

В 1/18 1/13,9 1/0,33

n 1 0,714 0,5

Критерий Архимеда (Ar) позволяет определять режим осаждения твердой частицы. При ламинарном режиме осаждения, когда критерии имеют значения A ≤ 3,6; Re ≤ 0,2. Стоксом теоретически получена следующая формула для определения скорости осаждения шарообразной частицы: 14 u0 =

d 2 (ρ − ρ c )g 18µ

, м/сек

(2.2)

Определение скорости осаждения шарообразных одиночных частиц в неподвижной неорганической среде по обобщенному методу, пригодному при любом режиме осаждения, производят следующим образом. 1. Определение критерия Архимеда (Ar): d 3(ρ − ρ c )ρ c g

Ar =

,

µ c2

(2.3)

где d - диаметр частицы, м; ρ - плотность частицы, кг/м3; ρс - плотность жидкости, кг/м3; µ - динамический коэффициент вязкости среды, Н· сек/м2; g - ускорение силы тяжести, м/сек2. 2. По найденному значению критерия Архимеда определяют критерии Re или критерии Ly (рис.2.1); далее режим осаждения: а) ламинарный режим

Re =

Ar 18

Ar ≤ 3,6; Re ≤ 0,2 ;

(2.4)

б) переходный режим 0,714

 Ar  Re =  ;   13,9 0,2 < Re < 500 3,6 < Ar < 84 000

(2.5)

в) турбулентный режим Re = 1,73 Ar ;

(2.6)

Re > 500 Ar > 84 000 3. Вычисляют скорость осаждения частиц: u0 =

Re⋅ µ ρd

(2.7)

или u0 =

3

Lyµ c(ρ − ρ c ) ρ c2

.

(2.8)

Для частицы неправильной формы скорость осаждения определяют тем или иным путем из критерия Лященко, но с постановкой в критерий Архимеда вместо d величины dэ. Эквивалентный диаметр dэ частицы неправильной формы вычисляют как диаметр условного шара, объем которого V равен объему тела неправильной формы: dэ = где М - масса частицы, кг.

3

6V M , = 1,243 π ρ

(2.9)

Рис. 2.1. Зависимость критериев Re и Ly от критерия Ar для осаждения одиночной частицы в неподвижной среде: 1 и 6 - шарообразные частицы; 2 - округленные; 3 - угловатые; 4 - продолговатые; 5 пластинчатые. Логарифмируя уравнение (2.1) до вида lg Re = n lg Ar ⋅ lg Β и представив его, по данным опытов, в координатах lg Re и lg Ar, имеем прямую линию отсекаемая той линией ось ординат на величину lg В tg=n (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Логарифмическая зависимость Re от Ar Описание экспериментального стенда

Экспериментальный стенд (рис. 2.3) для изучения кинетики гравитационного осаждения состоит из прозрачных цилиндров, заполненных жидкостями с различными физическими параметрами. На цилиндрах имеются отметки для определения пути, пройденного дисперсной частицей за время осаждения. Дисперсные частицы - шарообразной и другой формы, различного размера и плотности.

Рис. 2.3. Схема экспериментального стенда: 1 - мерный цилиндр; 2 - ложное дно; 3 трос; 4 - подъемный механизм; 5 - электромагнит; 6 - секундомер; 7 - кнопка пуска секундомера и сброса шариков. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с порядком проведения работы и журналом наблюдений. 2. Опуская дисперсные частицы шарообразной формы различных размеров и плотности в каждый из цилиндров с жидкостями, на мерном участке секундомером замерить время их осаждения. 3. Рассчитать скорость осаждения шариков: а) исходя из пройденной длины пути и замеренного времени. б) аналитическим путем по обобщенному методу (1-3) сравнить. 4. Вычислить значения критериев Ar и Re для каждой пары сочетания частица - жидкость. 5. По данным опытов и расчетов построить графическую зависимость Re = f(Ar) в координатах lg Re - lg Ar и определить константы n и в для различных режимов осаждения. Журнал работы

№ Твердая п/п частица

1

Дисперсная Время Ско- Крите- Консреда осаж- рость рии станты дения, осажсек дения, м/с Ar Re n в d, ρ, ρс, µ, м кг/м3 кг/м3 н•сек/ м2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Обработка опытных данных

1. Определение скорости осаждения u0 =

d 2 (ρ − ρ c )g 18µ

, м/сек

2. Определение критерия Архимеда Ar =

d 3(ρ − ρ c )ρ cg µ c2

.

3. Определение критерия Рейнольдса по найденному значению критерия Архимеда, исполь20 зуя рис. 2.1. 4. Определение эквивалентного диаметра частиц неправильной формы. 5. Определение опытных величин n и в для уравнения (2.1) Контрольные вопросы

1. Ознакомиться с теоретическими основами процессов осаждения по лекциям и литературе. 2. Из каких фаз состоит неоднородная система и как осуществляется классификация неоднородных систем по агрегатному состоянию и размеру частиц? 3. Методы разделения неоднородных систем; сущность и движущая сила этих методов. 4. Критериальное уравнение процесса отстаивания. 5. Порядок определения скорости осаждения по критерию Архимеда (Ar). Лабораторная работа 3 Испытание процесса фильтрования Цель работы: 1. Ознакомление с устройством микрофильтра и его работой. 2. Проведение опытного фильтрования. 3. Расчет коэффициентов фильтрования по экспериментальным данным. Основные положения

Фильтрование применяют для разделения суспензий на твердую (осадок) и жидкую (фильтрат) фазы. Для движения жидкости в порах осадка и фильтрующей перегородки необходимо создать перепад давления по сторонам фильтрующей перегородки, который является движущей силой процесса. Этот перепад может быть создан за счет разряжения (вакуумфильтры) или давления (фильтры под давлением) с одной стороны фильтрующей перегородки. Производительность фильтров зависит от режима фильтрования (давление, температура), характера фильтрующей перегородки и физико-химических свойств суспензий и осадков. Интенсивность фильтрования и производительность фильтров характеризуются величиной скорости фильтрования - количеством фильтрата, проходящего через единицу поверхности фильтра в единицу времени,

uф = (dVф / dτ ) / Fф ,

(3.1)

где VФ - количество фильтрата, м3; Fф - площадь поверхности фильтрующей перегородки, м2; τ - продолжительность фильтрования, с. Поток фильтрата в порах осадка и фильтрующей перегородки характеризуется весьма малыми значениями числа Рейнольдса (Re ≤ 35), что соответствует ламинарному режиму движения жидкости. Критериальное уравнение, описывающее ламинарное движение потока фильтруемой жидкости, имеет вид: (3.2) Eu = (110/Re)(L/d э ) , или в явной форме,

∆ р/(р u 2™ ) = 110µ /( u ™ d эρ)(L / d) , где Eu - число Эйлера; Re - критерий Рейнольдса; ∆р - перепад давления на фильтре, Па; ρ - плотность фильтрата, кг/м3; uф - линейная скорость прохождения фильтрата через перегородку, м/с; dэк - эквивалентный диаметр пор, м; l - длина пор, м; µ - динамический коэффициент вязкости фильтрата, Па•с. В соответствии с основным кинетическим уравнением, согласно которому интенсивность процесса пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению, можно записать: uф = ∆p / R ,

(3.3)

где R - сопротивление фильтрованию. Сопоставим уравнения 3.1 и 3.3, получим: dVф / dτ • Fф = ∆p / R .

(3.4)

Подставив значение линейной скорости фильтрования из уравнения (3.2) в уравнение (3.4), получим выражение сопротивления фильтрованию: R = (110µ L) / d 2эк .

(3.5)

Общее сопротивление фильтрованию складывается из сопротивления фильтрующей перегородки и сопротивления слоя осадка на перегородке R = Rф + R0 .

(3.6)

Из уравнения (3.6) видно, что R зависит от вязкости фильтрата и размеров фильтрующей перегородки. Выражая сопротивление перегородки через эквивалентное сопротивление условного слоя осадка, можно записать:

R = µ(R Π • + r0 h 0 ) ,

(3.7)

где Rп - коэффициент, учитывающий сопротивление фильтрующей перегородки, м-1; r0 - удельное сопротивление осадка, м-2; h0 - толщина слоя осадка, м. Если из 1 м3 прошедшей через фильтр жидкости (фильтрата) отлагается Foc м2 осадка, то толщина слоя осадка может быть выражена как h 0 = Vф / Fф • х 0 ,

(3.8)

где х0 =Vос/Vф. Подставив в уравнение (3.4) значение R из уравнения (3.7) и значение h0 из уравнения (3.8), получим: dVф FTP dτ

=

∆p . µ(r0 х 0 Vф / Fф + R ф )

(3.9)

После разделения на переменные уравнение (3.9) получим: µх 0 Vф dVф + µR n dVф = ∆pFфdτ Fф

(3.10)

В зависимости от величины ∆р изменяется характер процесса: если ∆р = const, то по мере накопления осадка на фильтре скорость фильтрования dV / dτ убывает; такое фильтрование называют нестационарным; если скорость фильтрования dV / dτ = const такое фильтрование называется стационарным. В промышленности наиболее распространено нестационарное фильтрование. Для нестационарного фильтрования, интегрируя уравнения (3.10) в пределах 0 - Vф и 0 - τ, получим:

µr0 x 0 V 2 / 2F + µR n V = ∆P ⋅ Fτ ,

(3.11)

где индексы фильтрат и фильтр опущены. Из уравнения (3.11) определим продолжительность фильтрования:

µr0 x 0 V 2 µR + τ= •V, 2∆PF2 ∆PF

(3.12)

Вводя в уравнении (3.12) коэффициент фильтрования К , характеризующий сопротивление осадка, равное µr x V 2 K= 0 0 2 (3.13) 2∆PF и коэффициент С, характеризующий сопротивление фильтрующей перегородки, равное

C=

µR ∆PF

(3.14)

получим τ = KV 2 + CV

(3.15)

Коэффициенты фильтрования К и С находят опытным путем. Описание экспериментальной установки

Установка состоит из фильтрующей воронки 1, бачка для суспензии 2 и мешалки 3, вакуум-насоса 9, приемника для фильтрата 7, термометра 4, вакуумметра 6 и секундомера. Отдельные части соединены между собой вакуумными резиновыми трубками. На трубках установлены кран 8, которым при работе создают нужный вакуум и кран 5, или зажим. Последним открывают поле подготовки всей установки к работе на заданном режиме. На воронку накладывают фильтровальную ткань. Методика проведения работы

Подготавливают суспензию и заливают в бак 2. Суспензию готовят в соотношении Т:Х (по указанию руководителя работы. Во избежание осаждения осадка (мел или другой материал) включают мешалку 3. Фильтровальную воронку с фильтрующей тканью устанавливают в баке 2, погружая в суспензию на несколько сантиметров. Затем зажим 5 закрывают. Включают вакуум-насос 9 и, открывая кран 8, устанавливают заданный руководителей вакуум по вакуумметру 6. После установки установившегося режима открывают кран (зажим) 5 и одновременно включают секундомер. Первый замер времени делают при появлении первых капель фильтрата в приемнике. Через некоторое время, когда в приемник наберется некоторое количество фильтрата, производят (не выключая секундомера) одновременный замер времени и собранного фильтрата. Такие Замеры производят несколько раз. Все замеры времени и объема фильтрата производят, не выключая секундомера и считая их от начального момента фильтрования. После этого (не выключая вакуум-насоса) выключают секундомер, записав время и объем фильтрата.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки для исследования процесса фильтрования

27

Затем фильтр 1 поднимают вверх так, чтобы резиновая трубка нигде не создавала застоев жидкости. Фильтрующая поверхность фильтра должна быть повернута вверх. При этом сливается в приемник жидкость (фильтрат), находящаяся в фильтре и трубке. Когда поверхность осадка потеряет влажный блеск и перестанет изменять свой вид, продувку прекращают, выключают вакуум-насос. Добывающееся при продувке количество фильтрата (это количество фильтрата появилось в первые моменты фильтрования, но его невозможно было обнаружить, так как оно заполняло фильтр и резиновую трубку до приемника) приписывают к первому замеру времени до появления первых капель и прибавляют ко всем остальным записям (кроме последней). Тогда предпоследняя и последняя записи объема будут одинаковы, так как при продувке нового фильтра не появилось, затем измеряют линейкой толщину слоя осадка на фильтре и диаметр слоя. Фильтр разбирают, осадок снимают в специальный бочок, после этого промывают фильтр и собирают фильтр снова. Результаты замеров заносят в протокол испытания. Протокол испытания № п/п

Время замера τ, с

Объем фильтрата V Предварительные замеры, м3

Интервалы

Окончательные замеры м3

м3

м3/м2

Времени ∆τ, с

Объемов фильт рата ∆V, м3/м2

∆τ/∆V с•м2 м3

Обработка результатов испытания

Для получение коэффициентов фильтрования К и С продифференцируем уравнение (3.15):

dτ = 2KdV + CdV После перехода к конечным разностям получим: ∆τ / ∆V = 2KV + C

Как видно из рис.3.2, в координатах ∆ τ / ∆ V − ∆ V получено уравнение прямой линии, пересекающей ось ординат в точке ∆τ / ∆V = С , тангенс угла наклона прямой равен 2К. Показатель V означает количество фильтрата, отнесенное к единице фильтрующей поверхности, усредненное по двум последовательным замерам.

Рис. 3.2. График ∆τ / ∆V = f (∆V/) Коэффициент сопротивления фильтрующей перегородки и удельное сопротивление осадка определяем из формул (3.13) и (3.14): 29 R ф = (C∆pF) / µ;

r0 = (K 2∆pF2 ) /( x 0µ)

где µ - динамический коэффициент вязкости фильтрата (определяется по средней температуре суспензии); Полученные данные вносят в протокол испытания. Протокол испытания Время, с От Между начала замераиспы- ми тания

1

2

Объем фильтрата Перепад Темпера Количес давления тура тво От нача- Между на суспен- фильтрала испы- замерами, фильтре, зии, оС та,проше тания, м3 м3 МПа дшего через 1 м2 поверхности, м3/м2 3 4 5 6 7

Для определения оптимальной продолжительности фильтрования строим график зависимости V = f(τ) (рис. 3). На оси влево от точки 0 откладываем отрезок 0S, равный τ0 (τ0 это вспомогательное время для подготовки фильтра к работе, равное 0,25 ч). Из точки S проводим касательную к кривой V = f(τ). Перпендикуляр, опущенный из точки касания на ось τ, отсекает на ней отрезок, равный рекомендуемой продолжительности процесса фильтрования.

Рис.3.3. График V = f(τ) Контрольные вопросы

1. Какое назначение процесса фильтрования? 2. Какие существуют способы создания напора на фильтре?

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Чем характеризуется режим фильтрования? Дайте характеристику стационарного и нестационарного фильтрования? Какой физический смысл коэффициентов фильтрования? Дайте анализ формулы для определения коэффициентов фильтрования. Каковы основные элементы экспериментальной установки? Какой порядок проведения работы? Опишите метод обработки опытных данных и их анализ. Лабораторная работа 4 Испытание центрифуги периодического действия

Цель работы: 1. Изучение основных закономерностей разделения под действием центробежной силы и ознакомление с устройством центрифуги. 2. Определение скорости разделения и зависимости влажности осадка после центрифугирования от продолжительности процесса. Основные положения

Одним из наиболее эффективных способов разделения жидких неоднородных систем, применяемых в пищевой промышленности, является ценрифугирование, осуществляемое на специальных машинах - центрифугах. По принципу действия и технологическому назначению центрифуги делятся на отстойные и фильтрующие. Фильтрующие центрифуги предназначены для разделения грубодисперсных сред и отделения влаги от сыпучих не растворяющихся материалов и продуктов.

Рис. 4.1. Схемы роторов центрифуги: а - отстойный; б – фильтрующий. Фильтрующая центрифуга имеет ротор (барабан) с натянутой на него перфорированной сеткой, покрытой фильтрующей тканью (рис. 4.1, б). Отстойные центрифуги имеют роторы (барабаны) со сплошными стенками (рис. 4.1, а). Основной частью обоих типов центрифуг является вращающихся ротор, куда загружают суспензию. При вращении ротора возникает центробежная сила, действующая на суспензию массой m и весом G. С = mu2 / R = Gu2 / gR = Gn2R / 900

(4.1)

где R - радиус ротора, м; n - частота вращения ротора, мин-1. Одним из критериев оценки работы центрифуги служит фактор разделения:

Κ р = С / G = n2R / 900 ,

(4.2)

Чем выше фактор разделения, тем интенсивнее протекает процесс центрифугирования. Продолжительность разделения можно найти по выражению: τ 0 = dR / dτ , Так при Re < 0,2

[d =

(4.3)

]

(ρ1 − ρ 2 ) • u 2 τ0 , (4.4) 18µR поставив вместо и ее выражение ωR (где ω = πn / 30 - угловая скорость барабана) и проинтегрировав τ 0

∫

2

dτ =

18µ 2 d (ρ1 − ρ2 )ω2

R

∫

к

dR r R

получим расчетную формулу τ0 =

18µ R 2 ln r d (ρ1 - ρ2)ω

(4.5)

2

Считая, что продолжительность пребывания жидкости в барабане должна быть равной времени осаждения частиц, можно принять, что за время τ0 жидкость проходит путь h, равный высоте барабана со скоростью (м/с): иср=Vсек / π(R2- r2)

(4.6)

где Vсек - секундный расход материала, м3/с; R - радиус барабана, м; r - радиус материала в центрифуге, м. Соотношение между R и r определяется степенью загрузки барабана; обычно барабан загружается на половину емкости и r ≈ 0,71 R. Следовательно, экспериментально продолжительность осаждения в центрифуге (в с): τ0 = h / uср= [π(R2 - r2)h] / Vсек .

(4.7)

Зависимость между продолжительностью разделения, полученной экспериментально (τэксп), и продолжительностью разделения, рассчитанной аналитические (τрасч), можно выразить так: τэксп = ϕτрасч где ϕ - поправка на форму частиц и другие неучтенные факторы (например, зависимость вязкости от температуры и др.). Методика проведения испытания

После ознакомления с основами теории процесса и конструкции центрифуги проводят опытное фильтрование. В барабан подают определенное количество предварительно подготовленной суспензии, включают электродвигатель и с момента пуска сразу же начинают за-

мер объемов вытекающего фильтрата по мерному стеклу сборного бачка за интервалы времени 15-20 с. В процессе работы центрифуги измеряют частоту вращения ротора тахогенератором 4, закрепленным на верхней крышке электродвигателя (валы электродвигателя и тахогенератора жестко соединены между собой), после сокращения процесса разделения центрифугу останавливают и измеряют среднюю толщину осадка, отбирают пробы для определения влажности и результаты испытания заносят в протокол. Протокол испытания Номера

Время интервалов заме- замера, ра с

Интервал между

Объем фильтра- Частота та , м3

замерами ∆τ, с

от начала испытания V

за отрезок времени∆τ∆ V

Скорость фильвратроващения ния u0 , n , с-1 м/с

Примечание

Обработка результатов испытания Полный объем барабана (в м3) Vб = (πD2/ 4)h,

(4.8)

где D - внутренний диаметр, м; h - высота барабана, м. Рабочий объем барабана (в м3): Vp = π / 4 (D2 - D12),

(4.9)

где D - внутренний диаметр кольца материала при его вращении, м. Коэффициент наполнения барабана: R = Vp / Vб , или К = 1 (D1 / D)2.

(4.10)

Фактор разделения Кр = n2R / 900 ,

(4.11)

где n - частота вращения ротора, с-1 R = D / 2 - внутренний радиус барабана, м. Площадь поверхности осаждения (в м2) F = πDh .

(4.12)

Средние скорости разделения за отрезки времени ∆τ между замерами определяют как: uр = ∆V / (F∆τ),

где ∆V - объем фильтрата за отрезок времени.

(4.13)

По полученным данным и данным опыта строят график зависимости: up = f(τ) Контрольные вопросы

1. Какие типы конструкции центрифуг применяются в пищевой промышленности и каков принцип их действия? 2. Какие параметры характеризует работу центрифуг? 3. Что такое фактор разделения и как его определяют? 4. Как определить влажность осадка после центрифугирования? 5. Поясните порядок проведения работы и проведите анализ опытных данных. Лабораторная работа 5 Изучение процесса микрофильтрации Цель работы: 1. Изучение процесса микрофильтрации. 2. Определение удельного сопротивления осадка и фильтра. 3. Определение цикла фильтрования. Основные положения

Классификация неоднородной гетерогенной системы Р = 1 атм d2 = 10 мм

3 атм 100 мкм

10 атм 1 мкм

40 атм 100 атм о о 200 А 1А = 10-9м

микросистема Микросистема ультрасистема

обратный осмос

мембранная система Процессы разделения: 1. Отстаива- 1. Фильтро- 1. Фильтро- 1. Фильтрона вание вание на вание ние ионной осмолекуляр2. Фильтронове ной основе вание 3. Центрифугирование Условная скорость фильтрования: W = V / (F ⋅ τ),

где V - производительность по части фильтрата, м3/с; F - поверхность фильтра, м3; τ - время фильтрования, с. Скорость фильтрования для несжижаемых осадков:

(5.1)

W =

∆P dv = Fdτ µ(Rос + Rф)

(5.2)

Скорость фильтрования для сжижаемых осадков:

W=

∆P(1 −

∆P ) G

∆P µ[R oc + R ф (1 − ) G

,

(5.3)

где ∆Р - перепад давлений на фильтре, Па; µ - динамическая вязкость фильтрата, Па·с; Rос и Rф - сопротивление осадка и фильтра, м-1; G - модуль сжатия осадка, Па; ∆P/G - величина деформации осадка; - структурное сопротивление нормального осадка, т.е. осадка при давлении 1м столба жидкости, 1/м2; Гидравлическое сопротивление ∆Р при движении фильтрата через несжимаемые осадки: ∆P = 180µ ⋅ u ⋅ h oc (1 − ε) 2 /(d 2экв ⋅ ε3 ) ,

(5.4)

где u - скорость фильтрата, отнесенная к полному сечению, занятому осадком, м/с; hoc - высота слоя осадка, м; ε - порозность осадка; dэкв - эквивалентный диаметр частиц, м. Удельное сопротивление roc в (м-2) несжимаемых осадков: 2

roc = 180(1 − ε) 2 /(ϕ2d экв ε3 ) .

(5.5)

Сопротивление в Roc (м-1) несжимаемых осадков: R oc = h oc roc = x oc roc U oc

(5.6)

где хос - объем осадка, приходящийся на 1м3 полученного фильтрата, м3/м3; Uoc=V/F – удельная производительность фильтра, м3/м2; Отсюда продолжительность фильтрования τ в (с) при ∆Ρ=const:

τ = (µ ⋅ roc x ocV 2 / 2∆P) + (µRV / ∆P)

(5.7)

Продолжительность цикла фильтрования Т в (с) для фильтров периодического действия:

Т = τ ф + τ пр + τ вс

(5.9)

где τф, τпр, τвс - соответственно, продолжительность собственно фильтрования, промывки осадка и вспомогательных операций. Необходимая площадь фильтрования F (м2):

F = VT / U ,

(5.10)

где V - объем фильтра, м3/с. Методика проведения испытания Все опыты проводятся на экспериментальной установке, представленной в лабораторной работе 6. 1. Подготовить фильтровальную основу трех видов с различными диаметрами пор из специального листа нержавеющей стали. 2. Подготовить суспензии Vсм из мела в соотношении 1:10. 3. Собрать экспериментальную установку для проведения процесса микрофильтрации. 4. Запустить установку и фиксировать время фильтрования, объем фильтрата. 5. По мере убывания скорости фильтрования остановить лабораторную установку. Затем замерить высоту и объем Vос слоя осадка. 6. Экспериментальные данные занести в журнал наблюдений. Журнал наблюдений № Пере- Объем Высо- Объем Время Объем Удель Удель смеси фильтпад та осадка ная ное τ Vсм рата произ- сопродавлеосадка Vос Vф, м3 води- тивления, hос 3 3 м м м тельние ∆Р, Па с ность осадка фильти рата U, фильтм3/м2 ра τ/υ, см2/м3 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Обработка результатов испытания

1. Определение удельной производительности фильтра: V=

Vф F

. м3/м2

2. Определение удельного сопротивления осадка и фильтра, используя графическую зависимость τ / V = f(V) (рис. 5.1). r0=2∆Ρtgα/µ·x0

Rф=∆Ρ·ОА/µ

Рис. 5.1. Зависимость τ / V = f(V) 3. Определение цикла фильтра фильтрования Т = τa + τвс Контрольные вопросы

1. 2. 3. 4. 5.

Классификация неоднородной гетерогенной системы. Условная скорость фильтрования. Гидравлическое сопротивление осадка. Продолжительность фильтрования. Удельная производительность фильтра. Лабораторная работа 6

Изучение разделения жидких неоднородных систем методом ультрафильтрации (УФ) Цель работы: 1. Определение внешних параметров процесса ультрафильтрационного разделения жидких смесей. 2. Построение зависимости селективности и проницаемости мембран от рабочего давления. Основные положения Ультрафильтрация - это процесс разделения растворов высоко- и низкомолекулярных соединений, а также фракционирования и концентрирования высокомолекулярных соединений. Ультрафильтрация применяется в тех случаях, когда диаметр частиц растворенного компонента колеблется от 0,005 ÷ 0,05 мкм. Процесс разделения осуществляется при давлениях от 0,2 ÷ 1,0 МПа. Температура исходного раствора может колебаться в широком диапазоне, в зависимости от типа УФ мембраны, в качестве исходного раствора используется раствор высокомолекулярных соединений. Необходимое оборудование и контрольно-измерительные приборы

1. 2. 3. 4.

Ультрафильтрационная ячейка. Манометр образцовый. Ротаметр поплавковый. Фотоэлектрокалориметр ФЭК.

5. Мерный стакан 6. Секундомер

Рис.6.1 Схема лабораторной установки: 1 - емкость с исходным раствором; 2 - насос плунжерный; 3 - УФ-ячейка; 4 - манометр; 5 - ротаметр; 6 - регулировочный вентиль; 7 - рессивер; 8 - сборник пермеата. Методика проведения испытаний

1. 2. 3. 4.

Подготовить исходный раствор 5 л. Собрать мембранную ячейку, предварительно измерить рабочую поверхность мембраны. Открыть регулировочный вентиль Включить насос, регулируя вентилем 6 установить требуемое рабочее давление (задается преподавателем). 5. С помощью секундомера и мерной емкости измерить производительность по пермеату объемным способом. 6. Опыт повторить при других давлениях, заданных преподавателем. 7. В каждом опыте фиксировать показания ротаметра. 8. По окончании замеров, открыть вентиль и включить насос. 9. С помощью ФЭКа провести анализ отобранных проб пермеата на содержание в нем частиц растворенного компонента. 10.Измерить вязкость ретанта. Протокол испытаний Давление Конц. Р Па раств. вва в исх. р-ре, С1 мг/л 1 2

Конц. раств. вва в перл, С2 мг/л 3

Рабочая Расход пов-сть ретанта, мембра- Q, м3/с ны, F, м2 4

5

Селективность, ϕ, %

Проницаемость, С, м3 /(м2 · ч)

6

7

Обработка опытных данных

1. Рассчитать селективность процесса разделения

с2 ) ⋅ 100% (6.1) с1 где с1, с2 - концентрация растворенного компонента в исходном растворе и пермеате, соответственно.

ϕ = (1 −

2. Рассчитать удельную проницаемость УФ-мембраны  м3  V (6.2) G = ,  2  F ⋅ τ м ⋅ с где V - объем пермеата, м3; F - рабочая поверхность мембраны, м2" τ - время отбора, с. 3. Построить графики зависимости G = f(P); ϕ = f(P)/ 4. Рассчитать гидродинамический режим в установке πd 2 Q = ω ⋅u = ⋅u 4

(6.3)

где Q - расход ретанта, м3/с; d - диаметр трубопровода, м; u - скорость потока жидкости, м/с.

Re =

u ⋅ d υ

(6.4)

Контрольные вопросы

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Характеристика процесса ультрафильтрации. Практическое применение метода ультрафильтрации. Типы ультрафильтрационных аппаратов. Типы ультрафильтрационных мембран. Границы применения метода ультрафильтрации. Каковы внешние параметры, при которых возможно проведение процесса ультрафильтрации? 7. Преимущества и недостатки метода ульрафильтрации. 8. Что такое концентрационная померизация и методы борьбы с этим явлением? Лабораторная работа 7 Изучение процесса концентрирования жидких смесей методом обратного осмоса (о. о) Цель работы: изучить влияние рабочего давления на селективность и проницаемость обратноосмотических мембран. Общие положения

Процесс обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающим осмотическое давление, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы, либо ионы растворенных веществ. Осмотическим называется давление, при котором растворитель самопроизвольно переходит через полупроницаемую мембрану в раствор до достижения равновесия. Процесс обратного осмоса относится к баромембранным методам разделения растворов, как и метод ультрафильтрации (УФ). Поэтому между ними есть много общего. Например, движущей силой процессов УФ и ОО является разность давлений по обе стороны полупроницаемой мембраны. Основными параметрами, которые определяют при исследованиях, являются селективность У и проницаемость G. В то же время процесс обратного осмоса имеет ряд особенностей. Рабочее давление при ОО достигает несколько десятков МПа в силу того, что осмотические давления растворов очень высоки. В процессе обратного осмоса можно улавливать частицы, размеры кото-

рых колеблются от 0,0001 до 0,003 мкм. Область применения процесса обратного осмоса значительна, чем у метода ультрафильтрации. В основном метод ОО применяется при опреснении соленой воды, для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов и т.п. Необходимое оборудование и контрольно-измерительные приборы

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Манометр, шкала от 0 до 100 кгс/см2. Обратноосмотическая мембранная ячейка. Ротаметр. Мерный стакан. Секундомер. Потенциометр. Ножницы.

Рис. 7.1. Схема лабораторной установки: 1 - емкость с исходным раствором; 2 - насос плунжерный; 3 - ОО-ячейка; 4 - манометр; 5 - ротаметр; 6 - регулировочный вентиль; 7 - ресивер; 8 - сборник пермеата. Методика проведения испытаний

1. Подготовить модельный водный раствор NaCl, объемом не менее 5 л. 2. Собрать обратноосмотическую ячейку, предварительно поместив в нее полупроницаемую мембрану. Мембрану вырезать ножницами по шаблону. 3. После сборки под руководством преподавателя проверить надежность крепежных узлов. 4. Открыть регулировочный вентиль. 5. Включить насос. Регулируя вентилем 6 установить требуемое рабочее давление (задается преподавателем). 6. С помощью секундомера и мерной емкости измерить производительность по пермеату объемным способом. 7. Опыт повторить при других давлениях, заданных преподавателем. 8. В каждом опыте фиксировать показания ротаметра. 9. По окончании замеров, открыть вентиль и включить насос. 10.С помощью ФЭКа провести анализ отработанных проб пермеата на содержание в нем частиц растворенного компонента. 11. Измерить вязкость ретанта. Протокол испытаний Давление Конц. P, кг/см2 раств. вва в исх. р-ре, C1, мг/л 1 2

Конц. Раств. вва в перл, С2, мг/л 3

Рабочая Расход пов-сть ретанта, мембра- Q, м3/с ны, F, м2 4

5

ПрониСелекцаемость, тивС, ность, м3/(м2 · ч) ϕ, % 6

7

Обработка опытных данных

1. Расчет селективности процесса разделения:

с2 ) ⋅ 100% (7.1) с1 где с1, с2 - концентрация растворенного компонента в исходном растворе и пермеате, соответственно, мг/л.

ϕ = (1 −

2. Расчет удельной проницаемости УФ-мембраны:  м3  V G = ,  2 , F ⋅ τ м ⋅ с

(7.2)

где V - объем пермеата, м3; F - рабочая поверхность мембраны, м2; τ - время отбора, с. 3. Построение графика зависимости G = f(P); ϕ = f(P). 4. Расчет гидродинамического режима в установки:

Q = ω ⋅u =

πd 2 ⋅ u, 4

(7.3)

где Q - расход ретанта, м3/с; d - диаметр трубопровода, м; u - скорость потока жидкости, м/с. Re = (u · d) / υ.

(7.4)

Концентрацию исходного раствора, концентрата и пермеата определяются при помощи потенциометра по величине электрического сопротивления с помощью специальных датчиков из нержавеющей стали. В комплекте с потенциометром работает генератор сигналов звуковой частоты. Он предназначен для питания электродов датчиков переменным током чистотой 1000 Гц. Контрольные вопросы

1. 2. 3. 4.

Явление осмоса. Осмотическое давление. Процесс обратного осмоса, его движущая сила. Область применения обратноосмотических мембран. Преимущества и недостатки метода обратного осмоса перед другими баромембранными методами. 5. Какие жидкие смеси можно разделить методом обратного осмоса? 6. Что такое теплота гидротации ионов и как она влияет на селективность полупроницаемых мембран? 7. Какими свойствами должна обладать обратноосмотическая мембрана? Лабораторная работа 8 Испытание молотковой дробилки

Цель работы: 1. Ознакомление с устройством и работой молотковой дробилки. 2. Определение дисперсного состава и степени измельчения по показателям ситового анализа. 3. Определение расхода энергии на размол. Основные положения

В пищевой промышленности большое распространение получили молотковые дробилки, применяемые в тех случаях, когда на одной ступени измельчения необходимо получить высокодисперсную смесь измельченных частиц. Молотковые дробилки эффективны при разрушении хрупких материалов (зерна, сахар, соли и др.) и менее эффективны при измельчении влажных продуктов и продуктов с высоким содержанием жира. Молотки должны перемещаться с такой окружной скоростью, при которой обеспечивалось бы первичное разрушение материала в момент удара по нему молотком. эту необходимую скорость можно определить приближенно, исходя из закона количества движения: m(u1 - u2) = Fτ,

(8.1)

где m - масса измельченной частицы; u1 - скорость движения частицы при начальном соприкосновении с молотком; u2 - скорость движения частицы при ударе по ней молотка; F - средняя мгновенная сила сопротивления разрушению частицы; τ - продолжительность удара. Степень измельчения материала

i = dсиср х / dсизр м .

(8.2)

Для определения среднего размера частиц до и после измельчения материала пробу просеивают через набор сит, взвешивают сходовые фракции и находят численное значение размера частиц. Крупность размола в молотковых дробилках в основном определяется размером и конфигурацией отверстий сита. чем меньше размер этих отверстий, тем мельче готовый продукт. Описание экспериментальной установки На рис. 8.1 показана дробилка со свободно подвешенными молотками, применяемая для измельчения сыпучих пищевых продуктов. На валу 1 при помощи шпонки закреплены два диска 2 с промежуточными кольцами; в осевом направлении диски закреплены болтами 4. На каждом из шести стержней 5 подвешено по пять молотков 6. Вал вращается в двух шариковых подшипниках. Вращательное движение на вал от электродвигателя передается через клиноременную передачу. В нижней части дробилки имеется сменное сито 10, закрепляемое в кольцевых пазах корпуса. Материал, подлежащий измельчению, засыпается в бункер 7, через дозирующее устройство 8 попадает внутрь дробилки на молотки, во взаимодействии с декой 3 измельчается сито 10 в размолотом виде выходит в сборник 11. Дозирующее устройство 8 представляет собой две заслонки 12, зазор между которыми может быть изменен при помощи регулирующего винта 9.

Рис.1 Схема молотковой дробилки: 1 - вал; 2 - диски; 3 - дека; 4 - болт; 5 - стержень; 6 - молоток; 7 - бункер; 8 - дозатор; 9 - винт; 10 - сито; 11 - сборник; 12 - заслонки. Методика проведения испытания

Порцию материала (пшеница, ячмень, кукуруза и т.п.) засыпают в бункер молотковой дробилки, затем открывают дозирующее устройство 8 и дробят материал, используя вначале чешуйчатое, а затем обычное сита. Для получения характеристики дисперсного материала после дробления необходимо провести ситовой анализ. С этой целью отбирают пробы по 0,1 кг, которые просеивают в течении 5 мин на наборе сит. Остаток на каждом сите взвешивают на технических весах, пересчитывают в процентах к общей массе навески, результаты вносят в протокол №1 и определяют значение сходов с сит. Протокол №1 Номер опыта

Ситовой анализ после чешуйчатого сита масса суммар- Суммарпрохода ный про- ный прочерез цент цент сито, г прохода схода

Ситовой анализ после простого сита масса суммар- суммарпрохода ный про- ный прочерез цент цент сито прохода схода

В процессе испытаний дробилки при помощи ваттметра определяют мощность холостого хода электродвигателя Nхх. Затем загружают дробилку до заданной производительности и измеряют мощность электродвигателя по нагрузке Nр. Измельченный продукт, выходящий из дробилки, взвешивают и результаты записывают в протокол №2. Эксперимент проводят в четырех-пяти повторностях. Протокол №2 Но Диа Масса Продол- Промер метр навес житель изводи опы сита ки, кг ность тельта отбора ность навес- , кг/с ки, с 1

2

3

4

5

Расход энер- Удель гии, кВт ный

Дисперс н на на расход ость, холо- измел энермм стой ьгии, ход чение кВт с/кг 6 7 8 9

Степень измель чения 10

Обработка результатов испытания

Истинная производительность молотковой дробилки (в кг/с) Gист = mτ / τ ,

(8.3)

где mτ - масса измельченного продукта, кг; τ - положительность измельчения навески, с. Степень измельчения продукта находят по формуле (8.2). Удельный расход энергии ( кВт·с/кг) Nуд = (Nр - Nхх) / Gист ,

(8.4)

По данным эксперимента строят графики измерения дисперсности продукта dср = f(dс), степени измельчения i = f(dc) и удельного расхода энергии Nуд = f(dс) в зависимости от диаметра отверстия сита. Контрольные вопросы

1. 2. 3. 4.

Объясните устройство и принцип действия молотковой дробилки. Какие параметры характеризуют работу дробилок? Как проводится ситовой анализ продуктов измельчения? Как влияют форма и размер отверстий сита на крупность измельченного продукта, расход энергии и производительность дробилки? Лабораторная работа 9 Испытание циклона Цель работы: 1. Изучение конструкции циклона. 2. Экспериментальное определение показателей его работы (КПД, фактор разделения

и др.) Основные положения

Очистку газов действием центробежной силы применяют для увеличения скорости осаждения и более полного выделения из газа твердых взвешенных частиц. Для этого используют аппараты, называемые циклонами. Газ поступает на очистку в циклон через патрубок, тангенциально приваренный к цилиндрической части аппарата, благодаря чему он совершает вращательное движение вокруг выхлопной трубы внутри циклона. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении газа, твердые частицы, обладающие большей массой, отбрасываются от центра к стенке цилиндрической части и осаждаются на ней, затем сползают в коническую часть и удаляются из аппарата. Очищенный газ через выхлопную трубу поступает в производство или выбрасывается в атмосферу. Значение центробежной силы определяют из формулы C = muг2 / R ,

(9.1)

где m - масса частицы; uг - окружная скорость газа, м/с; R - расстояние от оси вращения до частицы, м. Фактор разделения рассчитывают по формуле Кр = uг2 / Rg

(9.2)

где uг2 / R - ускорение центробежной силы; g - ускорение свободного падения, м/с. Скорость осаждения - по формуле

[

]

u0 = d 2(ρ1 − ρ 2)uг2 / 18µR

(9.3)

где d - диаметр частиц, м; ρ1 - плотность взвешенной частицы, кг/м3; ρ2 - плотность среды, кг/м3; µ- вязкость среды, Па·с. Время τ (с), необходимое для выделения в циклоне твердых частиц диаметром d2 (м) из газового потока находят по формуле

r τ = 18µ в ln 2 r  / (d г2 ω 2 ρ 2)  1

(9.4)

где r1 и r2 - наружный радиус трубы для выхода очищенного газа и внутренний радиус цилиндрической части циклона, м; ω - угловая скорость патока в циклоне, с-1. Если через С1 обозначить начальную и через С2 - конечную концентрацию пыли, то условный КПД циклона, характеризующий степень очистки газа

η = (С1 - С2) / С1

(9.5)

Диаметр D цилиндрической части циклона определяют по формуле 4V в (9.6) D = πu г где V - объем обрабатываемого газа (воздуха), м3/с. Скорость в циклоне 2∆P ξρ г где ∆Ρ – перепад давления в циклоне; ρ – плотность газа, кг/м3.

uг =

(9.7)

Описание экспериментальной установки

Испытание циклона проводят на экспериментальной установке (рис.9.1). Для получения запыленного газа определенной концентрации в воздушный поток подают пыль (мучная пыль, сахарная пудра и т.д.). В камеру центробежным вентилятором 4

подают воздух и через форсунку 3 - пыль. Начальную концентрацию пыль можно установить по количеству подаваемой пыли. Из камеры запыленный воздух попадает в циклон 2. Где очищается от пыли и через выхлопную трубу направляется в фильтр 1 для окончательной очистки, после чего выбрасывается в атмосферу. Методика проведения испытания

Скорость воздуха регулируют путем измерения живого сечения запорного устройства. При определенном его положении подают известный объем во входной патрубок циклона. Начальную концентрацию пыли С1 задают постоянной, регулируя зазор в проходном отверстии форсунки 3. В бункер засыпают распыляемый материал и через форсунку вводят его в поток воздуха, подаваемого вентилятором в циклон.

Рис. 9.1. Схема экспериментальной установки для испытания циклона: 1 - фильтр; 2 циклон; 3 - форсунка; 4 - вентилятор. Пыль выносимая из циклона, окончательно осаждается в тканевом фильтре, собирается и взвешивается для определения конечной концентрации С2. Через разгрузочное отверстие циклона отбирают осевшую в циклоне пыль и также взвешивают. Размером частиц задаются. Вязкость газа (воздуха) находят в зависимости от его температуры из приложения 6. Протокол испытаний Номер опыта

1

Продолжительность τ, с

ширина а,м

2

3

Масса пыли G, кг

Диаметр dвых м

7

8

9

Диаметр частиц пыли d м

Динамический коэффициент вязкости воздуха µ Па с 19

Входной патрубок высо- Площадь Секунд- Скорость та b,м ный воздуха u0, поперечного объем м/с сечения воздуха S п, м 2 V1, 4

5

м3/с 6

ПлоСещадь кундпопеный речного объем сечения Vсек м3/с Sвых, м2

10

11

Скорость воздуха uвых м/с

12

Продолжение Циклон

Концентрация пыли диаметр высота высота на входе на выцилинд- цилинд- кониче- в циклон ходе из ричеС1 циклорической ской мг/л на С2 ской части Нк мг/л части Dц, части Нц м м 13 14 15 16 17

18

Обработка результатов испытания

По результатам испытания (см. протокол), зная начальную С1 и конечную С2 концентрацию пыли, можно определить КПД циклона по формуле (9.4). Обычно количество пыли, находящейся в воздухе, определяют весовым методом путем просасывания его через фильтр из хлопчатобумажной ваты. Зная массу фильтра до взятия пробы и после, а также объем пропущенного через фильтр воздуха, находят содержание пыли в 1м3 воздуха. В данной работе начальную концентрацию пыли в воздухе также вычисляют весовым методом, но по иной методике. Через форсунку подают определенное количество пыли за единицу времени в определенный объем проходящего воздуха. 1. Начальная концентрация пыли (кг/м3) С1 = G1 / V1

(9.5)

где G1 - масса пыли, подаваемой в циклон, кг/с; V1 - объем воздуха, подаваемого в циклон, м3/с. 2. Конечная концентрация пыли в воздухе, выходящим из циклона С2 = G2 / V2

(9.6)

где G2 - масса пыли, уходящей из циклона, кг/с; V2 - объем воздуха, уходящего из циклона, м3/с. 3. Скорость осаждения пыли (м/с)

u0

d 2(ρ1 − ρ 2)uг = 18µR

(9.7)

где uг = uвх / 1,4 - скорость движения газа в циклоне, м/с; uвх = V1 / Sвх - скорость входа газа в патрубок, м/с; Sвх - площадь поперечного сечения входного патрубка, м2; ρ1 - плотность пыли, кг/м3; ρ2 - плотность воздуха, кг/м3; 4. Фактор разделения определяют по формуле (9.2). 5. Гидравлическое (аэродинамическое) сопротивление циклона (Па):

∆p = ξ

ρ гuг2 2

(9.8)

где ξ0 - коэффициент сопротивления, зависящий от конструкции циклона; ξu-24 = 60, ξu-15 = 160, ξu-11 = 250; T0 ρ 2 = 1,29 - плотность воздуха, кг/м3. T0 + 1 6. Определение D диаметра циклона по формуле (9.6). 7. Определение времени τ выделения твердой частицы из газового потока по формуле (9.4). 8. Определение основных параметров циклона (приложение 6). Контрольные вопросы

1. Поясните схему экспериментальной установки. 2. Какие типы и конструкции центробежных пылеосадителей-циклонов применяются в пищевой промышленности? 3. Какие основные параметры характеризуют работу циклонов? 4. Как определить запыленность воздуха? 5. Что характеризует фактор разделения? 6. Как определить КПД циклона и каковы пути его увеличения? Лабораторная работа 10 Испытание лопастной мешалки Цель работы: 1. Практическое ознакомление с работой мешалок. 2. Изучение основных конструктивных элементов мешалок. 3. Обобщение экспериментальных данных испытания мешалок. 4. Расчет расхода энергии, затрачиваемой на перемешивание. Основные положения

Перемешивание широко применяется в пищевой технологи для получения эмульсий, суспензий и смесей твердых компонентов, а также для интенсификации тепло- и массообменных и биологических процессов. В зависимости от агрегатного состояния перемешиваемых компонентов и технологического назначения полученной массы выбирают метод (механический, пневманический, ультразвуковой и т.д.) и конструкцию аппарата. Наиболее распространенным способом перемешивания жидких и пастообразных сред является механический в аппаратах, называемых мешалками. В зависимости от устройств рабочих органов мешалки делятся на лопастные, пропеллерные, турбинные и специального назначения. Процесс перемешивания с гидродинамической точки зрения может быть рассмотрен как процесс внешнего обтекания тел потоком жидкости. В соответствии с этим при вращении рабочего органа мешалки энергии затрачивается на преодоление трения лопастей о жидкость и на вихреобразование. Для описания процесса перемешивания при установившемся режиме используют общее критериальное уравнение, связывающее физические характеристики движения жидкости: Euм = f(Reм, Frм, Г1, Г2)

(10.1)

где Euм = N / ρn3d5 - обобщенная переменная (число) Эйлера; Re = nd2ρ / µ - критерий Рейнольдса; Frм = n2d / g - критерий Фруда; Г1, Г2 - симплексы геометрического подобия; N - мощность на валу мешалки, Вт; ρ - плотность жидкости, кг/м3; n - частота вращения рабочего органа мешалки, с-1; d - диаметр рабочего органа мешалки, м; µ - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с; g - ускорение свободного падения, м/с2. Действительную линейную скорость перемешивания жидкости определить сложно и вместо нее используют эквивалентную величину - частоту вращения рабочего органа мешалки, а потерю давления характеризуют величиной потребления энергии.

Рабочий орган мешалки обычно погружен и жидкость на достаточную глубину, поэтому гидравлическое сопротивление в основном обусловлено силой трения, а влиянием силы тяжести можно пренебречь, т.е. из уравнения следует исключить критерий Фруда. Тогда согласно уравнению (10.1): N / ρn3d5 = f(nd2ρ / µ)

(10.2)

Это уравнение можно представить в виде степенной функции: (10.3) Euм = AReмm где А и m - постоянные, определяемые опытным путем. На основании экспериментальных исследований определяют энергию, потребляемую мешалкой за время ее работы. Описание экспериментальной установки

Испытание проводят на экспериментальной установке (рис.10.1). В цилиндрическом сосуде 1 вращается рабочий орган 2 (лопасть), укрепленный на вертикальном валу 3. Движение вертикальному валу передается через редуктор 4 и вариатор скоростей 6 от электродвигателя 7. При помощи вариатора скоростей изменяется частота вращения рабочего органа. Требуемая для перемешивания жидких сред мощность измеряется самопишущим ваттметром, включенным в электрическую схему электродвигателя постоянного тока. Частота вращения рабочего органа измеряется при помощи тахогенератора 5 с выходом на вторичный регистрирующий прибор (таховольтметр). Методика проведения испытания

Перед началом испытаний знакомятся с основными параметрами установки и жидкости, к которым относятся диаметр сосуда D, высота слоя жидкости Н, плотность жидкости ρ, динамический коэффициент вязкости µ, диаметр окружности вращения лопастей d, ширина лопасти b, число лопастей х.

Рис.10.1. Схема установки для испытания лопастной мешалки: 1 - сосуд; 2 - лопасть; 3 вал; 4 - редуктор; 5 - тахогенератор; 6 - вариатор скоростей; 7 - электродвигатель; 8 - винт. Испытание лопастной мешалки начинают с проверки работы контрольноизмерительной аппаратуры (тахогенератора и самопишущего ваттметра). Затем измеряют

потребляемую энергию при работе мешалки на холостом ходу при заданных частотах вращения рабочего органа. Далее жидкостью из измерительного сосуда заполняют сосуд 1 и определяют ее температуру. При помощи винта 8 сосуд 1 перемещают вверх до полного погружения рабочего органа в жидкость. После этого включают электродвигатель мешалки и приводят замеры показаний при тех же частотах вращения, что и на холостом ходу. Необходимо провести пять опытов при разной частоте вращения мешалки. Результаты испытаний заносят в протокол №1. Протокол №1 Частота вращения, с-1

Мощность При холостом ходе Nх, Вт При перемешивании жидкости Nр, Вт Полезная Nп, Вт

Протокол №2 № опыта

КПД переЧастота вращения дачи, ηпер рабочего органа мешалки, n

с 1

КПД электродвигателя, ηдв

Мощность по ваттметру, N1,

Вт

Мощность на валу рабочего органа, Nм

5

6

Вт

-1

2

3

4

Продолжение протокола 2

Euм

lg Euм

Reм

lg Reм

M

lg A

A

7

8

9

10

11

12

13

Обработка результатов испытания

Расчетная критериальная зависимость для процесса перемешивания определяется уравнением (10.3). Значение Euм и Reм рассчитывают по формулам: Euм = N / ρn3d5; Reм = nd2ρ / µ

(10.4)

На основании вычисленных значений Euм и Reм строят графики зависимости lg Euм от lg Reм (рис.10.2) и по нему определяют значения постоянных величин А и т, входящих в формулу (10.3). Логарифмируя зависимость (10.3), получают уравнение прямой линии lg Euм = lg A + m lg Reм

(10.5)

Показатель степени т находят как тангенс угла наклона полученной прямой tg α = ab / bc. Так как угол расположен во второй четверти, то его величина будет отрицательной. Постоянную А находят как отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, или из уравнения lg A = lg Euм - m lg Reм

(10.6)

Необходимо сделать не менее трех таких определений и получить из них среднее значение коэффициентов. Мощность на валу мешалки Nм = N1ηдвηпер

где N1 - мощность, определяемая по ваттметру; ηдв - КПД электродвигателя; ηпер - КПД передачи. Примечание: значение ηдв выбирают в зависимости от типа электродвигателя и передачи. Для установки, изображенной на рис.10.1, ηдв = 0,8; ηпер = 0,85. Данные эксперимента и расчетов вносят в протокол №2, после чего проводят анализ зависимости расхода энергии от частоты вращения рабочего органа.

Рис.10.2. График зависимости lg Euм = f (lg Reм) Контрольные вопросы

1. 2. 3. 4.

Поясните назначение процесса перемешивания. Какие вы знаете типы мешалок? Поясните методику расчета с использованием общего критериального уравнения. Какие факторы влияют на расход энергии при перемешивании? Лабораторная работа 11 Изучение процесса теплообмена в теплообменнике типа “труба в трубе”

Цель работы: 1. Изучение процесса теплообмена на действующей установке. 2. Определение коэффициента теплопередачи по данным испытаний и выявление его зависимости от скорости движения жидкости. 3. Определение потерь теплоты в окружающую среду. Общие положения

На пищевых предприятиях одним из наиболее распространенных процессов является тепловая обработка продуктов. В зависимости от характера и цели процесса тепловая обработка должна обеспечивать поддержание температуры продукта на определенном уровне, нагревание холодного или охлаждение горячего продукта, замораживание и т.п. Все эти процессы связаны с передачей теплоты обрабатываемому продукту или отнятием от него теплоты, т.е. с теплообменом.

Теплообмен – это передача энергии в виде тепла от более нагретого тела к менее нагретому, через разделяющую стенку. Движущей силой теплообмена является разность температур: ∆t = t1 − t2 , t 1 >t 2 Механизм теплообмена представлен на рис.11.1 Передача тепла от теплоносителя к обрабатываемому раствору осуществляется в три этапа. Первый этап – от теплоносителя к стенке: Q1=α1F(t1 – tст1) – основное уравнение теплоотдачи от теплоносителя к стенке (11.1) Второй этап – стенка проводит тепло через себя: λ Q 2 = F( t ст1 − t ст 2 ) - основное уравнение теплопроводности стенки. (11.2) δ

Рис. 11.1. Механизм теплообмена. Третий этап – от стенки к раствору: Q3=α2F(tст 2 – t2) – основное уравнение теплоотдачи от стенки к обрабатываемому раствору, (11.3)

Сам перенос тепла от теплоносителя к раствору описывается следующим уравнением: Q=KF∆tср – основное уравнение теплопередачи от от теплоносителя к раствору через их разделяющую стенку, (11.4)

где Q – кол-ва тепла, необходимое, для нагревания обрабатываемого раствора, Вт; α1, α2 – коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к стенке и от стенки к раствору, которые, показывают, какое количество тепла отдается к единице поверхности стенки в единицу 0С, т.е. скорость отдачи тепла, Вт/м2 0К; λ - коэффициент теплопроводности стенки, который показывает, какое количества те-

пла проводит стенка в единицу толщины и в единицу 0С, Вт/м 0К; δ - толщина стенки, м; - поверхность стенки, м2. Передача тепла подчиняется закону сохранения энергии: Q1=Q2=Q3=Q и описывается следующим уравнением: Q=G1c1(t1н – t1к)=G2c2(t2к - t2н), (11.5) где G1 и G2 – количество теплоносителя и раствора, кг/с; с1 и с2 – удельные теплоемкости теплоносителя и раствора, Дж/кг 0К Коэффициенты теплообмена связаны между собой следующей зависимостью: K=

1

(11.6)

δ 1 +Σ + α1 λ α2 1

Описание экспериментальной установки

Исследования проводят на кожухотрубчатом аппарате типа “труба в трубе” (рис.11.2). Внутренняя труба имеет диаметр d=20мм, наружная Д=50мм. Материал стенки трубы – сталь-5. Длина трубы 2м. Горячая вода подается в центральную трубу, холодная – в кольцевое пространство. Расход горячей и холодной воды определяется объемным методом. Температура вод определяются спиртовыми термометрами.

Рис. 11.2. Теплообменник типа “труба в трубе” 1 – наружная труба; 2 – внутренняя труба; 3 – термометры Методика проведения испытания

Испытание проводят в таком порядке: сначала открывают вентиль горячей воды, затем холодной линии, регулируя скорость потоков в ламинарном режиме, промежуточном и турбулентном. Экспериментальные данные заносят в протокол наблюдений №1. Протокол наблюдений №1

Среда Линия горячей воды

Линия холодной воды

V, м3

τ, с

Vсек, м3/с

u, м/с

Re

t1н , 0 С

t1к, 0 С

t2н, 0 С

t2к, 0 С

Обработка экспериментальных данных

1. Теплообменная поверхность рассматриваемого теплообменника «труба в трубе»: F = π ⋅ d н ⋅ l , м 2,

(11.7)

где dн – наружный диаметр внутренней трубы теплообменника, м2; l - длина внутренней трубы теплообменника, м. 2. Определение количества тепла, необходимое для нагрева раствора по формуле (11.5): Q=G1c1(t1н – t1к)=G2c2(t2к - t2н),

(11.5)

где G1 и G2 – количество горячей и холодной воды, кг/с; с1 и с2 – удельные теплоемкости горячей и холодной воды, которые показывают содержание количества тепла в одном (кг) вещества при температуре 1 0С; Дж/кг 0К. t1н, t1k – начальная и конечная температура горячей воды, 0С; t2k, t2н - начальная и конечная температура холодной воды, 0С; V ⋅ρ V ⋅ρ G1 = 1 , G 2 = 2 2 , кг/с; τ1 τ2 где V1 – объем горячей воды, прошедший за время τ1, м3; V2 – объем холодной воды, прошедший за время τ2, м3; ρ1 и ρ2 – плотности горячей и холодной воды, кг/м3, которые являются функцией средних t +t t +t температурных сред ( ρ1 = f (t1 = 1н 1k ) и ( ρ 2 = f (t2 = 2 н 2 k ) ,(приложение 1) 2 2 3. Определение средней разности температур (смотрите лаб. работу №12) ∆tδ − ∆tΜ ∆t при δ ≥ 2 ∆t ∆tΜ ln δ ∆tΜ ∆tδ ∆t + ∆tΜ при 〈2 ∆tср = δ ∆tΜ 2 ∆tср =

4. Опытное определение коэффициента теплопередачи К из основного уравнения теплопередачи (11.4): Κ=

Q , F ⋅ ∆tср

Вт/м2 0К/;

5. Определение потери теплоты в окружающую среду:

Q = α возд Fan (tст − tвозд )

(11.8)

где α возд = 9,74 + 0,07∆t - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, Вт/м2 0К;

Fап – наружная поверхность теплообменника, м2; tст – температура наружной стенки теплообменника, 0С; tвозд – температура воздуха, 0С. Контрольные вопросы

1. Что такое теплообмен? 2. Что такое движущей силой тепловых процессов? 3. Основные уравнения теплообмена. 4. Удельная теплоемкость, размерность и физический смысл. 5. Коэффициенты теплообмена, их размерности и физические смыслы.

Лабораторная работа 12 Изучение среднего температурного напора теплообмена Цель работы:

1. Изучение процесса теплообмена на действующих аппаратах. 2. Определение среднего температурного напора при прямотоке, противотоке и выявление преимущества того или иного потока. 3. Определение потерь давления на преодоление гидравлических сопротивлений в аппаратах и выявление зависимости их от скорости движения жидкости и числа ходов. Основные положения

В непрерывном процессе теплообмена при движении теплоносителей вдоль поверхности нагрева, температура обоих или одного из них изменяется. Характер ее изменения зависит в основном от агрегатного состояния и взаимного направления движения теплоносителей (рис.12.1). Так, при прямотоке без изменения агрегатного состояния теплоносителей температура горячего теплоносителя снижается от t1н до t1к, а температура холодного теплоносителя повышается от t2н до t2к. При этом разность температур теплоносителей вдоль поверхности нагрева изменяется от ∆t/ до ∆t//; на одном конце поверхности большая разность, на другом меньшая; ∆tб = ∆t /= t1н - t2н; ∆tм = ∆t// = t1к - t2к

Рис.12.1. Графики изменения температуры теплоносителей в процессе теплообмена в одноходовых аппаратах: а и б - прямоток и противоток без изменения агрегатного состояния теплоносителей; в - паровой обогрев при θконд=tn; и г и д - паровой обогрев при θконд
Рис.12.2. Номограмма для определения ∆tср.

В многоходовых аппаратах теплоносители движутся вдоль какой-то части поверхности нагрева прямотоком, вдоль другой части - противотоком, т.е. имеет место смешанный (переменный) ток теплоносителей. Условные схемы изменения температур теплоносителей в двухходовых аппаратах показаны на рис.12.3. Горячий теплоноситель, параметры которого с индексом 1 9жидкость, газ - см. рис.12.3, а,б, конденсирующийся пар - рис.12.3, в,г), делает в межтрубном пространстве аппарата один ход с изменением температуры от tн1 до tк2. При этом возможны два случая: в первом ходе - противоток, во втором - прямоток (рис.12.3, б,г).

Рис.12.3. Графики изменения температуры теплоносителей в процессе теплообмена в двухходовых аппаратах При смешанном токе, средняя разность температур теплоносителей несколько меньше, чем при противотоке; рекомендуется определять ее по формуле: ∆tс р = ε ∆t ∆tспррот ,

(12.3)

где ε∆t - поправочный коэффициент, зависящий от взаимного направления движения теплоносителей и их начальных и конечных температур; определяется графически в зависимости от значения величин R и P; ∆tспррот - средняя разность температур теплоносителей при противотоке. t2k - t2H Ρ = k ; t2 - t2H

(12.4)

t1H - t1k ; t2k - t2H

(12.5)

R =

На рис. 12.4 приведен график зависимости ε∆t=f(P, R) для двухходового аппарата Средняя разность температур теплоносителей является движущей силой процесса теплопередачи и называется средним температурным напором. Гидравлическое сопротивление аппарата. На интенсивность теплообмена существенно влияет на скорость движения теплоносителей в аппарате. Повышение скорости увеличивает турбулентность потока, снижает образование накипи, а в результате чего увеличивается коэффициент теплопередачи. Однако значительное повышение скорости теплоносителя приводит к увеличению потери давления теплоносителя на преодоление сопротивлений при прохождении его через аппарат.

Рис.12.4. График зависимости ε∆t=f(P, R) Гидравлическое сопротивление аппарата складывается из сопротивления трения по длине прямолинейных труб (каналов) и местных сопротивлений. Местные сопротивления возникают в местах изменения конфигураций потока теплоносителя в результате конструктивных особенностей аппарата (расширение, изменение и изменение направления трубопровода, наличие вентилей, кранов, заслонок, диафрагм и т.п.). Потери давления на преодоление сопротивления в прямых каналах (в Па): l ρu 2 (12.6) ∆Р тр = λ р d эђЌ 2 где λтр - коэффициент гидравлического сопротивления трения: зависит от режима движения жидкости и степени шероховатости труб, при Re≤2320 λтр=64/Re n 68 0,25 + ) , (12.7) при Re>2320 λ т р = 0,11( Re dэкв где n - коэффициент шероховатости, dэкв=dтр Потери давления на преодоление местных сопртивлений: ρu 2 ∆PМ = Σξ , (12.8) 2 где ∑ξ- сумма коэффициентов местных сопротивлений; определяется по таблице в зависимости от особенностей конструкции аппарата, вызывающих изменение условий движения теплоносителя. Таким образом, потери давления (Па) на преодоление гидравлических сопротивлений при движении теплоносителя в аппаратах можно определить по формуле: ∆P = ∆P ∆Р = (λ

1 р

d эђ‰

+ Σξ )

Тр

+ ∆PМС ,

ρu 2 , 2

(12.9)

Величина потерь давления определяет расход энергии на перемещение теплоносителя в аппарате и, следовательно, является важным показателем экономичности работы аппарата. В связи с этим скорость движения теплоносителя должна выбираться в оптимальных пределах, определяемых интенсивностью теплообмена и расходом энергии при работе аппарата (для жидкости в прямых трубках и-1-2м/с).

Методика проведения испытания Испытания проводят на экспериментальной установке теплообменника типа "труба в трубе", представленной в лабораторной работе №11 1. Снимают показания температуры ни линии горячей воды (t1н и t1к) при различных режимах движения жидкости и направлениях потока. 2. Снимают показания температуры на линии холодной воды при различных режимах движения жидкости (t2н до t2к). 3. Экспериментальные данные заносят в протокол наблюдений 1. Протокол наблюдений №1 Направление потока

V, м3

τ, с

u м/с

Re

режи м

t 1 н, 0 С

t1к, 0 С

t 2 н, 0 С

t2к, 0 С

Прямоток

Противоток

Обработка экспериментальных данных 1. Определение средней движущей силы теплообмена по уравнениям (12.1), (12.2): ∆tδ ∆ tб - ∆ tм , при ≥2 ∆ tс р = ∆tΜ ∆ tб lg

∆tс р =

∆ tм

∆tб + ∆tм , 2

при

∆tδ ≤2 ∆tΜ

Для определения значений ∆tб и ∆tм используем график изменения температуры на рис.12.1, а и б - прямоток и противоток без изменения агрегатного состояния теплоносителей. 2. Оценка преимущества средней движущей силы теплообмена между прямотоком и противотоком согласно обработки экспериментальных данных по п.1. 3. Определение потери энергии на преодоление сопротивления трения в прямых каналах по уравнению (12.6): ∆Pтр = λ

L ρu 2 , Па ΤΡ dэ 2

4. Определение потери энергии на преодоление местных сопротивления по уравнению (12.8): ∆P = Σξ

ρu 2 , 2

5. Определение общей потери энергии при движении потоков в аппарате:

ρu 2 L + Σ ξ ) ΤΡ dэ 2 Контрольные вопросы:

∆P = ∆Pтр + ∆Р М = (λ

1. Средняя движущая сила тепловых процессов. 2. В каких случаях принимают противоток и прямоток в процессе теплообмена? 3. Графики изменения температуры потоков в процессе теплообмена. 4. Потери энергии по длине трубопровода и на местные сопротивления. Лабораторная работа 13 Исследование коэффициента теплопередачи К при различных режимах движения теплоносителя и обрабатываемого раствора Цель работы: 1. Изучение процесса теплообмена на действующих аппаратах. 2. Определение общего коэффициента теплопередачи по данным испытаний и выявление его зависимости от скорости движения жидкости. Общие положения Коэффициент теплопередачи К является величиной, характеризующей интенсивность работы теплообменных аппаратов. Практическое значение коэффициента теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи (11.4):

Кпракт = Q / F∆tср. Расчет значения коэффициента теплопередачи можно проводить определяют по следующим расчетным формулам: а) для плоской стенки: 1 Κ рас = ,Вт/м2 0К; (13.1) 1 1 δ + Σ + α1 λ α2 б) для цилиндрической стенки (труба при d 2/d1<0,5)

Красч =

π 1 1 d 1 + ln 1 + α1d1 2λст d2 α 2d2

(13.2)

где α1 - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к поверхности нагрева, Вт/м2 0К; α2 - коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева к раствору, Вт/м2 0К; λст - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/м 0К; d1 и d2 - диаметр трубы со стороны теплоносителя и раствора;

Ξ

δ з аг р 1 δ з аг р 2 δ δ = + ст + = rз аг р1 + rс т + rз аг р2 λ λ з аг р 1 λст l з аг р 2

где δзагр.1 и δзагр.2 - толщина загрязнения (ржавчин) со стороны теплоносителя и раствора, м; формула (13.3); rэагр.1 и rзагр.2 - термические сопротивления проводимости тепла через загрязнения стенки со стороны теплоносителя и раствора; rст - термическое сопротивление проводимости тепла через стенку нагрева. Коэффициент теплопередачи всегда стремиться к наименьшей величине коэффициентов теплоотдачи. Для интенсификации тепловых процессов необходимо сначала оценить коэффициенты теплоотдачи, которые зависят от свойств теплоносителей и обрабатываемого раствора и характера их движения: в соответствии с этим методика определения коэффициента теплоотдачи различна. Определение коэффициентов теплоотдачи I. Если теплоотдача происходит без изменения агрегатного состояния теплоносителя и раствора (жидкость или газ) при вынужденном его движении, коэффициент теплоотдачи определяют из критериального уравнения, имеющего общий вид: Nu=f(Re,Pr,Gr)

(13.4)

Nu=dl / λ - критерия Нуссельта, , Gr=(d3g / v2)* β∆t - критерия Грасгофа; Pr=cµ/λ – критерия Прандтля; Re=udэ / v - критерия Рейнольдса. где β - коэффициент объемного теплоносителя, Па-1. d – диаметр аппарата, м; l – геометрический праметр аппарата, м; с, λ, µ, v – удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, динамическая вязкость, кинематическая вязкость (Дж/кг 0К, Вт/м0К, Па.с, м2/с ): u – скорость потока, м/с; ∆t – разность температур, между стенкой и средой. 1. При нагревании или охлаждении в прямых трубах или каналах а) при Re>10000 - турбулентный режим , Nu= 0,021 Re0,8 Pr0,43 ,

(13.5)

б) при 10000>Rе>2320 - переходный режим Nu=0,008 Re0,9 Pr0,43

(13.6)

в) при Rе<2320 - ламинарный режим Nu=0,17 Re0,33 Pr0,43 Ge0,1

(13.7)

2. При движении среды в кольцевом канале теплообменника “труба в трубе”

где

бе»:

Nu=0.023 Rе0,8Рr0,4(Dв / dн)0,45 Dв - внутренний диаметр наружной трубы, м; dн - наружный диаметр внутренней трубы, м.

(13.8)

Эквивалентный диаметр dэ межтрубного пространства теплообменника «труба в тру-

dэ=Dв- dн

(13.9)

3. При движении среды в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника: Nu=Cdэ Re0,6 Pr0,23

(13.10)

где С - опытный .коэффициент ( С=1,72 при наличии перегородок в межтрубном пространстве, С=1,16 при отсутствии перегородок). dэ=(D2в - nd2н) / (Dв+ndн) - эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м; где DB- внутренний диаметр кожуха теплообменника, м; dн - наружный диаметр трубы, м; n- число труб в теплообменнике.

4. При движении потоков в каналах, образованных пластинками типа П-2: Nu=0,1 Re0,7 Pr0,43,

(13.11)

где dэ =2h - эквивалентный диаметр в пластинчатом теплообменнике (h - расстояние между пластинами, м),' II. Определение коэффициентов при изменении агрегатного состояния (пар - жидкость, жидкость - пар). 1. Коэффициент теплоотдачи α1 при пленочной конденсации на наружной поверхности вертикальных труб теплообменника: α1 = 2,043

0

С;.

λ3ρ 2 r ρ2d H n = 3,78λ ⋅3 , Hµ∆t1 Gµ

(13.12)

где λ - теплопроводность пленки конденсата Вт/ 0К; ρ1 - плотность конденсата, кг/м3; r - удельная теплота конденсации, Дж/кг; H - рабочая высота вертикальной трубы, м; µ - динамическая вязкость конденсата. Па с; ∆t2 = tn - tст - разность температур между температурой конденсации пара и стенкой,

п - число труб; G - количество конденсирующего пара, кг/с; dН – наружный диаметр труб, м. 2. Коэффициент теплопередачи α1 при пленочной конденсации на поверхности пучка горизонтальных труб

α1 = 1,28ΕΜ 3

2 λ3ρ2 r 3 ρ nL = 2,02ΕΜ , d Hµ∆t1 Gµ

(13.13)

где Ем - коэффициент, зависящий от числа труб; L - длина труб, м. Методика проведения испытания Испытания проводят на экспериментальной установке теплообменника типа “труба в трубе”, представленной в лабораторной работе № 11. Для достижения представленных целей следует провести три испытания в ламинарном, переходном и турбулентном режимах движения жидкостей. После запуска установки в определенном режиме необходимо выдержать время для установления постоянства температур на линии горячей и холодной воды. После этого регистрируют следующие данные: - температуры на линии холодной воды, t2н и t2 к; - температуры на линии горячей воды, t1н и t1к ; - расход горячей воды, G1; - расход холодной воды, G2; Все данные испытаний записывают в протокол испытаний. Протокол испытаний 1 среда

τ, u, с м/с

Re

Режим

tlH,0 С

t1K, t2H, 0 0 С С

t2k, 0 С

Холодная вода Горячая вода

Обработка результатов испытаний 1. Определение коэффициентов теплоотдачи α1 и α2: а) по линии горячей воды по уравнениям (13.5, 13.6, 13.7): Nu= 0,021 Re0,8 Pr0,43 , Nu=0,008 Re0,9 Pr0,43, Nu=0,17 Re0,33 Pr0,43 Ge0,1 б) по линии холодной воды по уравнению (13.8): Nu=0.023 Rе0,8Рr0,4(Dв / dн)0,45.

2.Определение термического сопротивления поверхности нагрева по уравнению (13.3):

δ = rз аг р1 + rс т + rз аг р2 λ 3. Определение коэффициента теплопередачи К расчетным путем по уравнению Ξ

(13.1): 1 1 1 δ + + α1 λ α2 и при помощи ЭВМ по блок-схеме (в Приложении). Κ =

4. Оценка опытного и расчетного коэффициента теплопередачи из лабораторных работ 11 и 15 и расчет процента отклонения. Контрольные вопросы 1. Коэффициенты теплообмена, размерности их физические смыслы. 2. К какой величине значений коэффициентов α1 , α2 стремиться коэффициент теплопередачи К и что необходимо предпринять для интенсификации теплообмена?. 3. Критериальные уравнения для определения α1 , α2. 4. Как определяются режимы движения жидкостей?

Лабораторная pабота 14 Нагрев жидкостей погружными герметическими электронагревателями Цель работы: Расчет герметических погружных электронагревателей. Основные положения В процессе тепловой обработки пищевых продуктов используются различные методы нагрева; контактный, конвективный, радиационный, в электромагнитных полях токов высокой и сверхвысоких частот. В работе рассматриваются вопросы нагрева жидких сред с помощью электронагревателей погружного типа. Электронагревательные элементы условно можно разделить на две группы: низкотемпературные и высокотемпературные (с температурой рабочей поверхности более 1000 0 С). Последняя группа нагревателей используется главным образом как инфракрасные излучатели. При использовании, в тепловой аппаратуре герметических погружных нагревателей процесс передачи тепла от поверхности нагревателя - системе осуществляется как теплопроводностью, так и конвекцией. Герметические закрытые трубчатые электронагреватели - ТЭНа (например рис.14.1) представляют собой наполненные периклазом стальные трубки наружным диаметром 10 - 15 мм. По оси трубка запрессована нихромовая спираль, концы которой выведены через специальные наконечники.

Рис. 14.1. Геометрические закрытые трубчатые электронагреватели

Для технологических процессов злектронагрева выбор трубчатых нагревателей производится по величине удельной поверхностной мощности нагревателя wo и рабочей поверхности στ. Рекомендуемые, значения величин wo è στ. , приведены в табл.1. Таблица 1 Удельная мощность, Вт/м2

Условия применения ТЭНа

Рекомендуемая

Рекомендуемая удельная мощность рабочей зоны, Вт/м2 3,5 - 5,0

3,0 - 4,0

Предельнодопустимая 6,0

2,8

3,0

2,0 - 3,0

4,0

Сталь Х18Н10Т

3,0 - 5,0

0,9 - 1,2

1,8

30 - 40

2,3 - 4,5

5,0

Сталь Х18Н10Т Латунь Л-62 Сталь Х18Н10Т

6,0 - 8,0

10,0

-

2,0 - 2,3

3,0

и 3,0 - 4,0

6,0

Сталь Х18Н10Т Или Латунь Л-62 Сталь Х18Н10Т Сталь Х18Н10Т

1. Закрытая конфорка из чугуна 2. Закрытая конфорка из алюминиевого сплава 3. Открытая теплоизлучающая конфорка 4. Пекарные камеры электрошкафов 5. Жарочные камеры электрошкафов 6. Водонагреватели и пирогенераторы 7. Фритюрницы 8. Жаровни грилли

Материалы трубки Сталь Ст-10

2,8

40 - 60

3,5 - 4,0

Расчет герметических погружных электронагревателей Расчет параметров погружного электронагревателя осуществляется по величине объемной удельной мощности qv =

Вт;

4PH (1 − ε) πdH2 la

Вт/м3,

(14.1)

где la - длина электронагревателя, м; dH - диаметр электронагревателя, м; PH - потребляемая мощность электронагревателя в процессе нагрева жидкой системы,

ε - коэффициент, учитывающий долю потерь тепла стенками аппарата в окружающую

среду. В то же время величину объемной удельной мощности можно определить следующим образом: qv =

4Q ⋅ τ (1 − ε) , πdH2 la

Вт/м3,

(14.2)

где Q - количество тепла, необходимое для разогрева жидкой среды, определяется так;

Q=cG(tæ// - tæ/), Дж,

(14.3)

где с - удельная теплоемкость нагреваемой жидкой среды Дж/кг град; G - масса жидкой среды, кг; tæ// è tæ/ - конечная и начальная температуры жидкой среды, °С; τ - продолжительность процесса нагрева жидкой среды, сек; Учитывая зависимость

gv=i2pt (14.4) 2 где i=I/F- - плотность электрического тока, а/м ; ρt - удельное сопротивление нихромового проводника при соответствующие температуре нагревателя, Ом м. можно найти диаметр электронагревателя:

dH = 3

4 UF , π2

(14.5)

где U - напряжение на электронагревателе, В F - поперечное сечение электронагревателя, м2 I - величина тока, протекающая через спираль электронагревателя, А. Описание установки Для проведения лабораторной работы по определению объемной удельной мощности герметически погружного нагревателя используется лабораторный стенд, смонтированный на базе ультратермостата УТ - рис.14.2.

Рис. 14.2. Ультратермостат УТ

Стенд состоит из кожуха 01, изготовленный из жести, и покрытого силиконовым лаком, внутреннего рабочего бака - 02, имеющего емкость около 10 литров, основной покрывающей плиты - 04 из фарфора, которая является несущей конструкции, на кожухе смонтированы узлы установки; нагревание жидкости производится при помощи трубчатого электронагревателя - 03, управляемого контактным термометром - 05 и релейной схемой, собранной в термоузле - 07. Змеевиковый холодильник - 09 имеет два наконечника для соединения его с источником охлаждающей жидкости. Для обеспечения циркуляции воды в рабочем баке установки имеется насос и мешалка - 08. Для контроля количества жидкости в баке имеется выносная водомерная трубка - 11. Для контроля начальной или текущей температуры жидкости в баке имеется контрольный ртутный термометр - 06. Заземление аппарата осуществляется через клемму - 10. Электрическая часть лабораторного стенда включает в себя приборы контроля и регистрации тока потребляемого электронагревателями, напряжения сети питания электронагревателя. Для регистрации времени процесса нагрева жидкости имеется секундомер. Порядок работы и методика измерения 1. Перед началом работы следует проверить надежность заземления установки; наличие нагреваемой жидкости в баке установки и соответствие уровня жидкости красной риске на контрольной водомерной трубке 2. Установить магнитной головкой контактного термометра требуемую температуру нагревания. Примечание: если вправо крутить головку термометра - повышаем температуру, влево понижаем. 3. Вставить контрольный ртутный термометр и провести измерения начальной температуры жидкости в баке. Данные заносятся в журнал наблюдений. 4. Включить цепь питания электронагревателя и замерить время всего процесса нагрева жидкости в баке до заданной температуры tæ / без работы перемешивающего устройства, т.е. процесс нагрева жидкости ведется за счет естественной конвекции. Снять показания с, электроизмерительных приборов величины тока и напряжения. Все данные заносятся в журнал наблюдений. 5. Следующий опыт начинается с охлаждения воды в баке лабораторной установки до температуры tж/ , для чего в змеевик лабораторного стенда подается холодная вода из водопроводной сети. Процесс охлаждения ведется с работающим перемешивающим устройством. При достижении начальной температуры t /ж отключается вода, поступающая в змеевик. 6. Включить цепь питания электронагревателя, замерить время, напряжение и величину тока. Процесс нагрева в этом случае ведется включенным перемешивающим устройством, т.е. процесс нагрева жидкости электронагревателем ведется с принудительным конвективным теплообменом. Данные процесса нагрева занести в журнал наблюдений. 7. По окончании процесса электронагрева жидкости, вновь произвести охлаждение жидкости в баке лабораторной установки до температуры tж/ и отключить электрическую часть установки от сети питания.

Журнал наблюдений Единица № опытов без перемешивания с перемешиваНаименование величин измерения

№ п/п 1 2 1. Начальная температура tж/ 2. Конечная температура tж// 3. Время нагрева жидкости без перемешивания τ1 4. Время нагрева жидкости с перемешиванием τ2 5. Масса нагреваемой жидкости G 6. Удельная теплоемкость G

7. Напряжение на электронагревателях U 8. Величина тока протекающего через спираль электронагревателя I 9. Сопротивление электронагревателя R 10. Выделяемая мощность электронагревателя в процессе нагрева жидкости без перемешивания PH/ 11. Выделяемая мощность электронагревателя в процессе нагрева жидкости с перемешиванием PH// 12. Количество тепла пошедшее на нагрев жидкости от tж/ до tж// Q 13. Объемная удельная мощность, рассчитанная по показаниям приборов без перемешивания gv1/ 14. Объемная удельная мощность, рассчитанная по показаниям приборов c перемешивания gv1// 15. Объемная удельная мощность, рассчитанная через Q без перемешивания gv2/ 16. Объемная удельная мощность, рассчитанная через Q, с перемешиванием gv2// 17. Величина разности между gv1/ и gv1// 18. Величина разности между gv2/ и gv2// 19. Процент отклонения экспериментального и теоретического значения gv1/ и gv1// 100gv/2 ⋅ gv/1 gv/2 20. Процент отклонения экспериментального и теоретического значения gv1// и gv1// 100gv//2 ⋅ gv//1 gv//2

нием

3 С 0 С с 0

с кг Дж/кг град В А Ом Дж

Дж

Дж Вт/м3

Вт/м3

Вт/м3 Вт/м3

%

%

4

5

Составление отчета и обработка опытных данных 1. Графическая часть работы состоит из одного чертежа лабораторной установки и схематичного рисунка применяемого электронагревателя. 2. Вычисляется сопротивление нагревателя согласно закону Ома, R=U/I, Ом.

(14.6)

3. Вычисляется потребляемая мощность электронагревателем для нагрева воды в лабораторной установке в интервале температур от tж/ до tж// без перемешивания нагреваемой жидкости. Pí/=I2Rτ1,

Дж,

(14.7)

Подсчитывается количество тепла, необходимое на нагрев жидкости в том же интервале температур: Q=cG(tж/ - tж//);

Дж,

(14.8)

где с - удельная теплоемкость нагреваемой жидкости, Дж/кг град; G - масса нагреваемой жидкости, кг; / // 0 (tж - tж )- температурный перепад, на величину которого нагревается жидкость, С 5. Вычисляется потребляемая мощность электронагревателем для нагрева воды в баке установки в интервале температур от tж/ до tж с перемешиванием нагреваемой жидкости. Рн //=I2Rτ1, Дж 6. Вычисляется объемная удельная мощность электронагревателя согласно данным, снятым с электроизмерительных приборов без перемешивания жидкости по уравнению (14.1): gv 1 =

4PH/ (1 − ε), Вт/м3 πdH2 la

(14.1)

где РН / - мощность, потребляемая электронагревателем в процессе нагрева воды без перемешивания. Дж: dH - диаметр нагревателя, м; la - активная длина нагревателя, м; ε- коэффициент, учитывающий долю тепла, отдающего стенками аппарата в окружающую среду. 7. Вычисляется объемная удельная мощность электронагревателя согласно данным, снятым с электроизмерительных приборов с перемешиванием жидкости по уравнению (14.1): gv 1// =

4PH// (1 − ε), Вт/м3 2 πdH la

8. Вычисляется объемная удельная мощность электронагревателя согласно, расчетного количества тепла Q без перемешивания жидкости по уравнению (14.2):

4Qτ1 (1 − ε), Вт/м3, πdH2 la

gv 2/ = гдеτ1 - время нагрева жидкости, с.

9. Вычисляется объемная удельная мощность электронагревателя согласно, расчетного количества тепла с перемешиванием жидкости по уравнению (14.2): gv 2// =

4Qτ 2 (1 − ε), Вт/м3 2 πdH la

10. Определяется разность между значениями удельной объемной мощности, рассчитанной по показаниям электроизмерительных приборов без перемешивания и с перемешиванием. ∆gv=gv1/ - gv2// 11. Определяется разность между значениями gv2 / gv2// рассчитанной по значению Q без перемешивания и с перемешиванием нагреваемой жидкости: ∆gv=gv1/ - gv2// (g v2

/

12. Определяется процент отклонения экспериментального и теоретического значений и g v1/) без перемешивания жидкости:

100gv/2 ⋅ gv/1 . gv/2 13. Определяется процент отклонения экспериментального и теоретического значений // (g v2 и g v1//)с перемешиванием нагреваемой жидкости: 100gv//2 ⋅ gv//1 gv//2 Все расчетные данные заносятся в журнал наблюдений. Контрольные вопросы 1. Характеристика трубчатых электронагревателей. 2. Типы электронагревателей. 3. Область применения трубчатых электронагревателей. 4. Расчет трубчатого термического наружного электронагревателя. Лабораторная работа 15 Испытание выпарной установки Цель работы: Вакуум - выпарная установка предназначена для удаления влаги выпариванием раствора поваренной соли. Цель работы заключается в изучении вакуум-выпарной установки периодического действия, определении количества выпариваемого растворителя (воды), коэффициентов теплопередачи в корпусе и расхода греющего пара.

Общие положения Выпариванием называется концентрирование растворов практически летучих и мало летучих веществ в жидких летучих растворителях путем удаления влаги (растворителя) в виде вторичных паров в результате подвода тепла. Получение, высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов, облегчает и удешевляет их перевозку и хранение. Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Чаще всего используют в качестве греющего агента водяной пар, который называют греющим, или первичным, так как в 1 кг пара аккумулирована большая внутренняя энергия 2264000 Дж тепла при атмосферном давлении. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора называется вторичным, Процессы выпаривания проводят: Р>1атм - при избыточном давлении; Р=1атм - при атмосферном давлении; Р<1атм - при вакууме, самое экономичное, так как процесс выпаривания проходит при низких температурах. Удаляемая влага, определяемая из материального баланса выпаривания:

W = G H(1 −

вн ) , кг/с , вк

(15.1)

где W - количество удаляемой влаги, кг/с; GH- количество исходного раствора, кг/с; Вн, Вк- концентрация исходного и упаренного раствора, % (мас.). Общее количество тепла, затрагиваемого на выпаривание раствора, состоит из трех составляющих: где

Qобщ=Qнагр + Qиcп+Qпот; Вт , Qнагр = Gрср(tкип - tн)=Д* rД; Qисп=W* rw=Д* rw ; Qпот=αвозд F(tст - tвозд) ,

(15.2) (15.3) (15.4) (15.5)

где Gp – количество обрабатываемого раствора, кг/с; ср – удельная теплоемкость раствора, Дж/кг 0К; tкип – температура кипения раствора, 0С; tн – начальная температура раствора, 0С; Д – количество греющего пара, кг/с; rw – удельная теплота парообразования (конденсации) вторичного пара, Дж/кг; rд - удельная теплота парообразования (конденсации) греющего пара, Дж/кг; αвозд – коэффициент теплоотдачи воздуха, Вт/м2 0К; F – наружная поверхность выпарной установки, м2; tст – температура наружной стенки аппарата, 0С; tвозд – температура окружающего воздуха, 0С. При технических расчетах принимают (3÷5)% потерь тепла в окружающую среду, тогда уравнение (15.4) примет вид: Qисп= (1,03÷1,05) Wrw ; (15.6) Поверхность нагрева непрерывно действующего выпарного аппарата определяется на

основе уравнения теплопередачи:

F =

Q K∆tпол

(15.7)

Описание установки Установка рис.1. состоит из поверхностного конденсатора 2, центробежного сепаратора 3, нагревательной камеры 4, бака 5, вакуум-насоса РВН-20 и приборов контроля. Вакуум-аппарат включает греющую камеру и сепаратор, соединенными двумя циркуляционными трубами 8, 9. 1. Цилиндрическая нагревательная камера представляет собой трубчатый одноходовой теплообменник, в котором размещены две трубные решетки с завальцованными кипятильными трубками. Нагревательная камера снабжена съемными крышками 10, 11, патрубками для подвода греющего пара 12, отвода конденсата 13, подвода исходного продукта 14, гильзой 16 для термометра, манометром 17. 2. Поверхностный конденсатор представляет трубчатый двухходовой теплообменник, в котором размещены две трубные решетки с завальцовочными трубками внутренним диаметром 15 мм. Он также снабжен съемными крышками, патрубками для подвода и отвода охлаждающей воды. В верхней части конденсатор соединяется патрубком 18 с сепаратором, в нижней части соединяется шлангом с баком 5. 3. Сепаратор цилиндрической формы, в нем находится зонт-отражатель, снаружи имеется смотровое окно 18 и люк 19. К днищу крепится циркуляционная труба 9, соединенная с нагревательной камерой. 4. Бак 5 снабжен двумя штуцерами для соединения с конденсатором и вакуумнасосом. Для контроля уровня заполнения имеется водомерная трубка 21, слив конденсата осуществляется через кран 22.

Рис. 15.1. Вакуум-выпарная установка Методика проведения работы Перед началом работы необходимо: 1. Закрыть крышки нагревательной камеры, люк, краны. 2. Проверить конденсатор и закрыть крышки. Проверить подвод и отвод охлаждающей воды, соединение с баком и сепаратором. 3. Проверить сепаратор. Закрыть люк. 4. Проверить бак и все соединения. Проверить водомерную трубку и слив конденсата. 5. Проверить вакуум-насос 6. Проверить автоклав, где получается греющий пар. После всех проверок нагревательную камеру заполняют продуктом. Включают вакуум-насос. После того, как вакуум-метр 23 покажет разряжение 500 Па в нагревательную камеру подают пар. Как только продукт закипит, вторичный пар из нагревательной камеры подается в конденсатор, где конденсируется. Оттуда конденсат стекает в бак. При бурном кипении часть продукта попадает в сепаратор, из которого продукт по возвратной трубе стекает в нижнюю часть нагревательной камеры. Таким путем начинается циркуляция продукта. Наблюдения по работе выпарной установки заносятся в журнал наблюдений.

Журнал наблюдений Наименование величины

Отсчет

Среднее значение величины

1 2 3 4 5 Время измерения 1. Температура раствора до нагревания, 0С 2. Вакуум в аппарате, Па 3.Температура греющего пара, tг.п., 0С 4. Температура кипения продукта, tкип. 0С 5. Температура вторичного пара, tв.п., 0С 6. Температура наружной стенки, tст, 0С 7. Начальная концентрация, Bнач, %(масс.) 8. Концентрация конечная, Bкон,%(масс.) Температура воздуха, tвозд, 0 С

Обработка экспериментальных данных 1. Количество выпариваемой воды, определяется по уравнению (15.1):

W = G H(1 −

вн ), вк

где GH- количество исходного раствора, кг/с; вн, вк - концентрация исходного и упаренного раствора, % (масс.) 2. Расход тепла на выпаривание, определяется по уравнениям (15.2, 15.3, 15.4, 15.5): Qобщ=Qнагр + Qиcп+Qпот; Qнагр = GрСр(tкип - tн); Qисп=W* rw=Д* rД ; Qпот=αвозд F(tст - tвозд) ;

rw=f(Pатм - Pw) - удельная теплота парообразования (конденсации) вторичного где пара, кДж/кг, (приложение 2); rD=f(Pп) - удельная теплота парообразования (конденсации) первичного пара, кДж/кг ( приложение 2);

αвоэд =9,74+0,07(∆t) - коэффициент теплоотдачи в воздушной среде, Вт/м2* 0К. 3.Определение расчетной поверхности выпарной установки по уравнению (15.7):

F =

Q , K∆tпол

где Q - общее количество тепла на выпаривание, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/м2*0К (определено в лабораторной работе №17);

∆tпол - полезная разность температур, 0С (определено в лабораторной работе №16) Контрольные вопросы

1. Что такое процесс выпаривания? 2. Способы выпаривания, какой из них самый экономичный и почему? 3. Почему чаще всего используют водяной газ, как греющий агент? 4. Уравнения для определения количества удаляемой влаги. 5. Уравнения для определения количества тепла на выпаривание. 6. Для чего служат барометрический конденсатор? 7. Что предусматривается для полного использования внутренней энергии пара? Лабораторная работа 16 Определение температурных потерь и температуру кипения раствора Цель работы: Определение температурных потерь и температуру кипения раствора для оценки движущей силы процесса выпаривания. Общие положения В выпарном аппарате возникают температурные потери, общая величина которых складывается из температурной депрессий ∆/ гидростатической депрессии ∆" и гидравлической депрессий ∆'". Температурная депрессия ∆/ равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении. Рассмотрим в качестве примера расчет ∆/ с помощью эмпирического правила Бабо, согласно которому относительное движение давления пара (р1 - р2) над разбавленным, раствором данной концентрации есть величина постоянная, не зависящая от температуры кипения раствора, т.е.

р1 = К = const р2

(16.1)

гдe р1 и р2 - давление пара соответственно растворителя и раствора. Зная температуру кипения t2 раствора при некотором произвольно взятом давлений р2 находят (по таблицам насыщенного водяного пара) давление пара. частого растворителя (воды) р2 при той же температуре и рассчитывают константу К. пользуясь зависимостью (1). По тому же уравнению определяют для заданного давления р2/ над раствором (в выпарном аппарате) давление пара р1/ / чистого растворителя и находят по таблицам соответствующую ему температуру t2/,которая и будет температурой кипения раствора при заданном давлении. Так как температура чистого растворителя при этом давлении известна, то температурная депрессия составляет: ∆t=t2 / - t1/

(16.2)

Опытные .значения температурой депрессии обычно приводятся при атмосферном давлении. Величину ∆/ при любом давлений можно получить, пользуясь уравнением И.Л.Тищенко:

Т2 (16.3) ∆ /а т м , r где ∆там/ - температурная депрессия при атмосферном давлении 0С; Т,r- температура кипения чистого растворителя (в 0К) и его теплота испарения (в кДж/кг} при данном давлении. Уравнение (16.3) применимо только к разбавленным растворам. Депрессия ∆// обусловлена тем, что некоторая, часть высоты кипятильных труб выпарного аппарата заполнена жидкостью, над которой находится паро-жидкостная эмульсия; содержание пара в ней резко возрастает по направлению к верхней кромке труб. В первом приближении расчет ∆// возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечений кипятильной трубы. Для этого находят давление р в данном сечении, равное сумме давлений вторичного пара рвт.п. у гидростатического давления ∆рср столба жидкости на середине высоты Н трубы: ∆ / = 1,6 2 ⋅ 10 − 2

∆р = рвт.п + ∆рср = рвт.п. + (ρ gH)/ 2

(16.4)

где ρ - средняя плотность жидкости, заполняющей трубку. Допуская, что величина р равна половине плотности чистого раствора (без присутствия пузырьков пара), т.е. р = рж/2,.получают ∆ р = р в т . п .+ ρ ж g H 4

По давлению р с помощью таблиц насыщенного водяного пара находят температуру воды tв, соответствующую данному давлению. Разность между температурой tв и температурой вторичного пара Т/ определяет величину гидростатической депрессии: ∆/ =tв-Т

(16.5)

Для вертикальных аппаратов с циркуляцией выпариваемого раствора величина ∆/ может быть принята в пределах 1 - 3 °С. Гидравлическая депрессия обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые должен преодолеть вторичный пар при его движении главным образом через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры насыщения. Повышение температуры кипения раствора, обусловленное гидравлической депрессией, обычно колеблется а пределах 0,5 - 1,5°С. Температура кипения раствора с учетом температурных потерь, обусловленных температурной ∆/ и гидростатической ∆// депрессиями, составляет: (16.6) tк=T+∆/+∆// , где Т - температура вторичного пара , °С Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих веществ или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях. Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов, облегчает и удешевляет их перевозку и хранение. Тепло для выпаривании можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревание. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар. который называют греющим, или первичным. Пар, образующийся при выпаривание кипящего раствора, называется вторичным.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом- при избыточном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара. Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, так как проводится процесс при более низких температурах. Кипение жидкостей При нагреве до температуры кипения пограничный слой жидкости у стенки нарушается - на мельчайших неровностях стенки, передающей тепло, образуются пузырьки пара. Величина, форма и число пузырьков зависят от количества подводимого тепла, шероховатости и чистоты поверхности нагрева, а также от способности жидкости смачивать эту поверхность. Достигнув определенной величины, пузырьки поднимаются к поверхности кипящей жидкости. Во время подъема они увеличиваются в объеме вследствие испарения жидкости внутрь пузырьков. Таким образом, процесс переноса тепла при кипение складывается из отдачи тепла жидкости стенкой и передачи тепла внутренней поверхности пузырька в виде теплоты испарения. При этом необходимо преодолеть термическое сопротивление тонкого пограничного слоя жидкости на границе, пузырек - жидкость, т.е. иметь температуру выше температуры пузырька. В результате жидкость несколько перегревается относительно температуры насыщения пара над поверхностью кипящей жидкости. Очаги образования мелких пузырьков мельчавшие бугорки на твердой поверхности, частицы загрязнения и т.п.) носят название центров парообразования. Интенсивность образования пузырьков возрастает до некоторого предела с увеличением разности температур между стенкой и кипящей жидкостью (∆t=tст-tкип). С возрастанием ∆t увеличивается плотность теплового потока q, т.е. количество тепла, передаваемого жидкости в единицу времени единицей поверхности стенки. Возникающие при этом перемешивание жидкости, обусловленное ростом, отрывом и всплыванием пузырьков, приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи α (рис.16.1) Этой области на рис.16.1 соответствует режим пузырчатого, или ядерного кипения, характеризуемый относительно высокой интенсивностью теплоотдачи. Однако при дальнейшим увеличение ∆t число центров парообразования возрастает настолько, что происходит слияние пузырьков пара и поверхность нагрева покрывается плохо проводящей тепло пленкой перегретого пара. Несмотря на то что, эта пленка не стабильна, ее образование, приводит к значительному падению величины. Соответствующий режим, изображаемый правый нисходящей ветвью кривой d=f(∆t ) на рис.16.1, носит название пленочного кипения. Методика проведения работы Прибор состоит из стеклянной колбы с пробкой, в которую вставлены два термометра (один погружен в раствор другой - в пар) и трубка с краником, соединенная со стеклянным конденсатором. Внутри колба установлена на электронагревательной плитке, которая через электросчетчик присоединяется к электрической сети. Все отсчеты начинаются с момента кипения раствора.

Рис. 16.1. Зависимость α и q от ∆t для кипящей воды при p=1 ат (10,1·104) 1. Ознакомиться с устройством работой аппарата и методикой проведения эксперимента. 2.Приготовить раствор с концентрацией поваренной соли (10-15)%. 3. Включить электроплиту. 4. Приготовленный раствор залить в колбу в таком количестве, чтобы он на (10-20)мм не доходил до парового термометра. 5. Время закипания раствора записать и производить все замеры с интервалом (25)мин, конденсат вторичного пара собирать в мензурку и записывать объем. 6. Выключить электроток и воду, вымыть приборы, убрать рабочее место. Журнал наблюдений 1. Показания счетчика до начала работы. 2. Показания счетчика после окончания работы. 3. Количество израсходованной энергий в кДж

Q=0,86* 3,6* lO3Е,

(16.7)

где Е - расход энергии в кВт-ч. 4. Вес раствора после упариванияG1, кг 5. Вес раствора до упаривания G2, кг 6. Вес вторичного пара, Gw, кг. Время Температура, замера, 0С с

раствора

Удель Конце ный нтрация, % вес, н/м3

Дав ление Р, Па

Молярная концентрация, кг/кмоль

пара

Обработка экспериментальных данных 1. Опытное определение температурной депрессии

Теплота испар ения, Дж

∆/=tкип. р-ра - tкип. р-ля, 0С

(16.8)

2. Расчетное определение температурной депрессии и сравнения с опытной. /

∆

= 1,62 ⋅ 10

−2

Т2 / ∆ ат м r

где ∆/àòì - температурная депрессия при атмосферном давлении, 0С

f=(1.62*102)*T2/r 0С - поправочный коэффициент, принимается из табл. 1. Температура вторичного пара 40 50 60 70

f

Температура вторичного пара

f

0.66 0.71 0.76 0.82

80 90 100 110

0.88 0.94 1.0 1.07

Таблица 1 Температуf ра вторичного пара 120 130 140 150

1.14 1.18 1.22 1.25

3.Графическая зависимость температурной депрессии от концентрации растворенного вещества, ∆/=f(с). 4. Затраты энергий

E (кВт ч/кг воды) W Q q = (кДж/кг воды) W

ε =

5. Определение полезной разности температур ра ∆tп о л = tп − tкр −ип − ∆

Контрольные вопросы: 1. Понятие температурной, гидростатической и гидродинамической депрессии. 2. Понятие пузырчатого и пленочного кипения. 3. Формула для определения полезной разности температур при выпаривании. Лабораторная работа 17 Изучение коэффициента теплопередачи в выпарных установках Коэффициент теплопередачи определяется по уравнению аддитавности термических сопротивлений: Κ /рас

=

1 α1

1 , Вт/м2 0К; 1 δ + + λ α2

(17.1)

где α1=αконд - коэффициент теплоотдачи при конденсации первичного пара, Вт/м2 0К;

α2=αкип - коэффициент теплоотдачи при кипении раствора, Вт/м2 0К; Ξ

δ δ загр 1 δ ст δ загр2 = + + = rзагр1 + rст + rзагр2 λ λ загр 1 λ ст λ загр 2

(17.2)

где rзагр.1 и rэагр.2 - термические сопротивления накипи со стороны пара и раствора, Вт/м2 0К; rст - термическое сопротивлений стенки нагрева. 1. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров к стенке определяется по формуле α 1 = 2 , 04 ⋅ 3

λ 3с ρ с2 r , Вт/м2 0К; Hµ с ∆t1

(17.3)

r - теплота конденсации первичного пара, Дж/кг: µж, ρж, λж - динамическая вязкость конденсата (Па*с), плотность конденсата (кг/м3) и коэффициент теплопроводности конденсата (Вт/м0К): Н - высота теплообменной трубы, м; ∆t1 = tn – tст - разность температур конденсации пара и стенкой. 0С; Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение: 1 (17.4) q = α 1 ∆ t1 = ∆ tст = α 2 ∆ t2 δ Σ λ 2 где q - удельная тепловая нагрузка. Вт/м : ∆t1 - разность температур между паром и стенкой, 0С; ∆tст - перепад температур на стенке, 'С; ∆t2 - разность температур между стенкой и кипящим раствором, 0 С. Перепад температур на стенке можно определить по уравнению:

где

∆tст = α 1 ∆t1 Σ

δ ∆tст = α 2 ∆t2 λ

Тогда из рис.17.1 видно, что, ∆t2=∆tпол - ∆tст - ∆t1

(17.5)

Рис. 17.1. Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через стенку 1 - пар; 2 конденсат; 3 - стенка; 4 - накипь; 5 - кипящий раствор. 2, Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:

α 2 = 780q

λ1,3 ρ 0,5 ρ n

0,6

σ

0,5

r 0,6 ρ 00,66c 0,3 µ 0,3

Вт/м20К

гдеλ,ρ,σ,µ, - соответственно теплопроводность, плотность, поверхностное натяжение, удельная теплоемкость, вязкость кипящего раствора; ρ - плотность вторичного пара, кг/м3; ρ - плотном пара при атмосферном давлении, кг/м3; q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2. Для определения оптимального значения устанавливают зависимость удельной тепловой нагрузки при различных значениях разности температур пара и стенки как представлено на рис. 17.2.

Рис.17.2. Зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур. Методика проведения работы Экспериментальная часть работы проводится на выпарной установке, представлена в лабораторной работе №15 Перед началом работы необходимо: 1. Подготовить раствор поваренной соли определенной концентрации. 2. Подготовить выпарную установку к работе, для чего залить в греющую камеру подготовленным раствором NaCI, проверить герметичность системы (крышки, люки должны быть закреплены и закрыты). 3. Подготовить парожидкостной генератор к работе, для чего залить водой генератор на половину, проверить работу обратного клапана, линию подключения тэнов генератора, особо обратить внимание на заземление. 4. Запустить всю систему, затем выйти на режим и начинать считать показания приборов (термометров). 5. Все показания приборов занести в таблицу наблюдений. Обработка опытных данных 1. Определение термического сопротивления стенки по уравнению (17.2) Σ

δ λ

=

1 0,002 1 + + 5800 17,5 5800

2. Определение коэффициента теплоотдач α по уравнению (17.3), задаваясь различными значениями ∆t1 Журнал наблюдений Наименование величины

Отсчет

Среднее значение величины

1 2 3 4 5 Время измерения 1. Температура раствора до нагревания, 0С 2. Вакуум в аппарате, Па 3.Температура греющего пара, tг.п., 0С 4. Температура кипения продукта, tкип. 0С 5. Температура вторичного пара, tв.п., 0С 6. Температура наружной стенки, tст, 0С 7. Начальная концентрация, Bнач, %(масс.) 8. Концентрация конечная, Bкон,%(масс.) 9. Температура воздуха, tвозд, 0С 3

α 1 = 2 , 04 ⋅

λ3с ρ с2 r , Вт/м2 0К; H µ с ∆ t1

3. Определение удельной тепловой нагрузки q1, Вт/м2.

q1=α1∆t1 4. Определение разности температур стенки, ∆tcò, 0C δ λ 5. Определение разности температур между стенкой и раствором , ∆t2 °С: ∆t2=∆tпол - ∆tст - ∆t1, ∆ tс т

= α 1 ∆ t1 Σ

∆tïпол.=t1 - tр-ра - ∆/ - (данные взять из лабораторной работы № 16) 6. Определение коэффициента теплоотдачи по уравнению (17.5): λ1,3 ρ 0,5 ρ n 0,6 , Вт/м2 0К α 2 = 780q 0,5 0,6 0,66 0,3 0,3 σ r ρ0 c µ где q = q1 - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2

7. Определение удельной тепловой нагрузки, q2, Вт/м2: q2=α2∆t2 8. Сравнение q1 и q2, если эти величины отличаются более (5÷7)%, расчет вести заново при следующем значении ∆t1. Оптимальное значение ∆t1 определяется по рис.17.2. Затем провести все расчеты α1 и α2 по оптимальному значению ∆t1 .

9. Определение коэициента теплопередачи К, Вт/м20К при помощи ЭВМ по блоксхеме (приложена)

Κ

=

1 1 1 δ + Σ + α1 λ α2

, Вт/м2 0К;

Контрольные вопросы 1. Определение коэффициентов теплообмена, нх размерность и физические смыслы. 2. К какому значению коэффициентов теплоотдачиα1 и α2 стремится коэффициент К ? 3. Что необходимо предпринять для интенсификации тепловых процессов? Приложение 1 Физические свойства воды (на линии насыщения) t, C

ρ кг/м3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

1000 1000 998 996 992 988 983 978 971 965 958 951 943 935 926 917 907 897 887

0

Cp КДж/кг *К 4,23 4,19 4,19 4,18 4,18 4,18 4,18 4,19 4,19 4,19 4,23 4,23 4,23 4,27 4,27 4,32 4,36 4,40 4,44

λ*102 Вт/м*К

ν*106 м2/с

β*104 К-1

σ*104 кг/с2

Pr

65,1 57,5 59,9 61,8 63,4 64,8 65,9 65,8 67,5 68,0 68,3 68,5 68,6 68,6 68,5 68,4 68,3 67,9 67,5

1,79 1,31 1,01 0,86 0,66 0,556 0,478 0,415 0,365 0,326 0,295 0,268 0,244 0,226 0,212 0,202 0,191 0,181 0,173

-0,63 0,70 1,182 3,21 3,87 4,49 5,11 5,70 6,32 6,95 7,5 8,0 8,6 9,2 9,7 10,3 10,8 11,5 12,2

756 762 727 712 697 677 662 643 626 607 589 569 549 529 507 487 466 444 424

13,7 9,52 7,02 5,42 4,31 3,54 2,98 2,55 2,21 1,95 1,75 1,58 1,43 1,32 1,23 1,17 1,10 1,05 1,01

Приложение 2 Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления. Пересчет в СИ: 1 ат. = 9,81*104 Па Давление (або.), ат. Р 0,2 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,0

Температура, 0 С, t 59,7 68,7 75,4 80,9 85,5 89,3 93,0 96,2 99,1

Плотность, кг/м3, р 0,1283 0,1876 0,2456 0,3027 0,3590 0,4147 0,4699 0,5246 0,5790

ЭнтальЭнтальТеплота паропия жид- пия пара образования, кДж/кг (i/) кДж/кк кости // кДж/кг(i ) 250,1 287,9 315,9 339,0 358,2 375,0 389,7 403,1 415,2

2607 2620 2632 2642 2650 2657 2662 2668 2677

2358 2336 2320 2307 2296 2286 2278 2270 2264

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

104,2 108,7 112,7 116,8 119,6 132,9 142,9 151,1 158,1

0,6865 0,7931 0,898 1,003 1,107 1,618 2,120 2,614 3,104

437,1 456,3 473,1 483,6 502,4 558,9 601,1 637,7 667,9

2686 2693 2703 2709 2710 2730 2744 2754 2768

2249 2237 2227 2217 2208 2171 2141 2117 2095

Приложение 3 Основные физические свойства молока t C 1 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

ρ кг/м3 2 1032,6 1031,7 1030,7 1028,7 1024,8 1020,9 1015,9 1011,1 1005,2 1000,3 999 887

λ Вт/(м*град) 3 0,486 0,489 0,492 0,495 0,500 0,506 0,516 0,518 0,524 0,530 0,531 0,542

c Дж/(кг*град) 4 3868 3870 3880 3890 3900 3910 3870 3850 3850 3850 3850 3850

µ*103 Н*сек/м2 5 3,02 2,52 2,14 1,82 1,35 1,10 0,87 0,72 0,63 0,58 0,56 0,54

Рr 6 30,2 20,0 16,9 14,3 10,6 8,5 6,5 5,35 4,65 4,2 4,07 3,84

σ*103 н/м 7 47 45 45 43 42 42 42 42 42 42 42 42

Приложение 4 Основные физические свойства рассола (коцентрация=22,5%, температура замерзания 253 0К) t C 1 5 0 -5 -10 -15 -20 0

ρ кг/м3 2 1170 1181 1183 1185 1187 1188

λ Вт/(м*град) 3 0,56 0,54 0,523 0,505 0,49 0,476

c Дж/(кг*град) 4 3330 3330 3329 3328 3322 3320

µ*103 Н*сек/м2 5 2,46 2,98 3,66 4,57 5,61 6,85

ν*106 м2/сек 6 2,10 2,52 3,08 3,86 4,73 5,77

Рr 7 14,7 18,4 23,4 30,1 38,2 47,5

Приложение 5 Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении t C 1 -50 -20 0 10 20 0

ρ кг/м3 2 1,584 1,395 1,293 1,247 1,205

c Дж/(кг*град) 3 1035 1035 1010 1010 1010

λ Вт/(м*град) 4 2,03 2,26 2,37 2,44 2,52

ν*106 м2/сек 6 9,23 12,79 13,28 14,16 15,06

Рr 7 0,728 0,716 0,707 0,705 0,703

30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180

1,165 1,128 1,093 1,060 1,029 1,000 0,972 0,946 0,898 0,854 0,815 0,779

1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1015 1025 1040

2,57 2,66 2,72 2,80 2,86 2,93 3,0 3,05 3,2 3,32 3,44 3,56

16,00 16,96 17,95 18,97 20,02 21,09 22,10 23,13 25,45 27,80 30,09 32,49

0,701 0,699 0,698 0,696 0,694 0,692 0,690 0,688 0,383 0,684 0,682 0,681

Приложение 6 Основные размеры циклонов Характеристика циклона

Размерность

Тип циклона

Диаметр выходной трубы D1 Ширина входного патрубка, b Высота входного патрубка, h1

м

ЦН-24 0,6 Д

ЦН-15 0,6 Д

ЦН-11 0,6 Д

м

0,26 Д

0,26 Д

0,26 Д

м

1,11 Д

0,66 Д

0,48 Д

Высота выходного патрубка, h2 Высота цилиндрической части, h3 Высота конической части, h4 Общая высота циклона, H Коэффициент сопротивления, ξ

м

2,11 Д

1,74 Д

1,56 Д

м

2,11 Д

2,26 Д

2,08 Д

м

1,75 Д

2Д

2Д

м

4,26 Д

4,56 Д

4,38 Д

60

160

250

Блок-схема определения коэффициента теплопередачи НАЧАЛО

Q=G2с2(t2к - t2H) G1=Q/с1(t1H - t1к)

A=ABS(t1k - t2H) B=ABS(t1H - t2k)

НЕТ

A>B

A=∆tδ; B=∆tм

∆tср =

u1 =

∆tδ − ∆tм ln ∆tδ / ∆tм

4G 1 ρ 1 πd

А=∆tм; В=∆tδ

2 H

; R e1 =

u 1d e ν1

НЕТ Re1>2300 ДА Re>104

Gr =

α1 =

d B3 g β ∆t v2

λ1 dB

α1 =

λ1 dB

0,008 Re 0,9 Pr 0, 43

0,17 Re 0,33 Pr 0,33 Gr 0,1

А

ДА

α1 =

λ1 dB

0,021 Re 0,8 Pr 0, 43

А

u

Re d Σ К

4G r

=

2

=

2

=

2

δ λ =

ρ 2( D 2 u 2( D

(D =

λ −

2

d

rзаг

1 ( α 1

− d − d v H

) )

H

0 ,0 2 3 R e +

р .1

δ λ

Σ

+

)

2 H

0 ,8 2

+

rст

Pr

rзаг

0 ,4

(

D d

) 0 ,4 5

H

р .2

1 −1 ) α 2

+

Печать К/, Q, G1

КОНЕЦ

Блок-схема алгоритма определение коэффициента теплопередачи НАЧАЛО

∑δ/λ=rзагр.1+rcn+rзагр.2 i=i+0,01 ∆t1=i

A

=

2,0 4(

r 1 ρ 12 λ 31 0 ) µ 1H

α1=A∆t1-0,25 ∆tпол=tп-tw-∆

q = α 1 ∆ t1 = Σ

λ ∆ tст = α 2 δ

q1=α1∆t1

∆ tс т

=

α 1 ∆ t1 Σ

∆tпол=tпол - ∆t1 - ∆tст

В

С

В

В = 780

С

λ 12,3 ρ 02,5 ρ w0,0 6 δ 02,5 r w0,6 ρ 00,w0 6 c 20,3 µ 02,3 α1=B q10,6 q2=α2∆t2

/q1 - q2/≤0,001

K=(1/α1+Σδ/λ+1/α1) -1

ПЕЧАТЬ К

КОНЕЦ

Рекомендуемая литература 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е М.: Химия, 1973, 750с. 2. Павлов К.Ф., Романков П.Г,, Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии. Л.: Химия, 1976, 552 с. 3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. М.: Химия, 1991, 494с. 4. Лабораторный практикум по процессам и аппаратам пищевых производств./ Под ред. Гинзбург А.С. М.: Агропромиздат, 1990, 256с. 5.Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1990, 272с.(Под ред. Романкова П.Г.)