Расчет теплообменной установки

 

 

       

3. Основное  и вспомогательное оборудование

 

       Калорифер – это устройство, которое построено  на принципе теплообмена. Активным веществом, отвечающим за движение тепла, является води или перегретый пар, температура  теплоносителя составляет 100-150 . Изначально, калориферы создавались для обогрева большой площади. Но эффективность принципа обогрева превратила это устройство в универсальное, создав тем самым большой ассортимент для широкого спектра применения, в том числе и в пищевом производстве.

       Калориферы  бывают разных схем, например самым  распространенным является трубчатый. Пар, проходя по трубам, отдает им свое тепло, которые в свою очередь  нагревают внешнюю атмосферу. Для  увеличения эффективности обогрева, туба может быть дополнена ребрами. Общая площадь теплообмена возрастает, соответственно возрастает и уровень  выделяемого тепла. Трубы может  вообще не быть. Ее может заменить секция специальных пластин. Такая схема  обеспечивает наилучшую эффективность, хоть и имеет более сложную  конструкцию. Зачастую, схемы очень  разнообразны. Они могут иметь  разное число заходов теплоносителя, состоять из одного или нескольких рядов движения. Габариты также сущестуют  всевозможные, начиная от бытовых (малые  размеры и потребляемая мощность) и заканчивая промышленными (огромные многоуровневые с потреблением большой  мощности или собственной печью  или котельной). Схемы калориферов  могут быть построены на принципе дополнительного забора воздуха  извне, так и иметь замкнутую  циркуляцию.

       Теплообменники  обозначают как спирально-катанный, пластинчатый, из гладких труб или любой другой, предназначенный для нагрева воздуха в системах воздушного отопления, вентиляции и в сушилках. обозначение калориферов КСК и КП-СК есть аббревиатура, расшифровка которой звучит следующим образом: КСК – «Калорифер Спирально-Катанный» и КП-СК – «Калорифер Паровой Спирально-Катанный». При изготовлении спирально-катанного калорифера КСК или КП-СК на стальную трубу накатным методом наносят ленточное алюминиевое ребрение, что значительно увеличивает поверхность теплообмена и повышает теплоотдачу калорифера.

       В аэрогрили воздух нагревается за счет ТЭНа. ТЭН – трубчатые электронагреватели предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую и применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках и бытовых нагревательных приборах (рис. 2). Нагрев различных сред осуществляется путем конвекции, теплопроводности излучения.

       

       Рис. 2 Виды ТЭНов

       Трубчатые электронагреватели по сравнению с  другими типами нагревателей отличаются:

1. возможностью эксплуатировать их при непосредственном контакте с нагреваемыми средами, которые могут быть газообразными и жидкими при давлении до 4,5 атм, а также твердыми;
2. надежностью при вибрациях и значительных ударных нагрузках;

       Развернутая длина ТЭН – трубчатых электронагревателей 280-3200 мм. Диаметр трубки ТЭН –  трубчатых электронагревателей 11-100 мм. Материал трубки – сталь конструкционная  или нержавеющая.

       ТЭН – трубчатые электронагреватели могут оснащаться штуцерами с  резьбой М14х1, М22х1,5, М16х1,5, G1/2. Контактная часть ТЭН оснащается крепежом под гайку М4, М5 или контактными вилками, флажками. 

4. Технические и тепловой расчеты аппарата. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

 

       В работе представлены следующие основные параметры теплоносителя и продукта:

1. φ₀ – начальная относительная влажность воздуха, %;

       φ₀ = 69%;

2. φ₂ – конечная относительная влажность воздуха, %;

       φ₂ = 30%;

3. t₀ – температура окружающей среды, °С;

       t₀ = 20°С;

4. t₁ – температура нагревания продукта, °С;

       t₁ = 170°С;

5. t₂ – температура охлаждения продукта, °С;

       t₂ = 65°С;

6. X_н – начальная влажность продукта, %;

       X_н = 71 %;

7. X_к – конечная влажность продукта, %;

       X_к = 31 %;

8. G_н – производительность оборудования (начальная закладка продукта), кг/ч;

       G_н = 4,5 кг/ч;

9. габаритные размеры оборудования: Н – высота, м; Н = 0,33 м; D - диаметр оборудования, м; D = 0,3 м; d_нар – наружный диаметр калорифера

       d_нар. = 0,08 м.

       Исходя  из начальных параметров продукта, составляем материальный баланс теплового  процесса.

       Целью составления материального баланса  теплового процесса является определение  массы влаги W, удаляемой при тепловом воздействии.

                                                                            (1)

       По  всему материалу, подвергаемому  тепловой обработке, начальное количество продукта (производительность по поступающему на тепловую обработку продукту):

                                                                                                     (2)

       По абсолютно сухому веществу в обрабатываемом материале:

                                                                                                   (3)

       Производительность  по готовому продукту определяется следующим  образом:

                                                                   (4)

        

       Подставляя  в уравнение (1) значение , получим:

                                                                   (5)

        

                                                                    (6)

        

        

       Уравнения (5) И (6) являются основными уравнениями материального баланса теплового процесса.

       Пусть на тепловую обработку поступает  воздух с влагосодержанием (%) сухого воздуха, а L – расход абсолютно сухого воздуха (кг/ч). Из теплообменного аппарата (при отсутствии потерь воздуха) выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до (%) сухого воздуха. Масса влаги, испаряющейся из материала в теплообменном аппарате, составляет W .

       Далее по диаграмме Рамзина необходимо найти следующие параметры:

1. парциальное давление воздуха , исходя из значений и ;

 
       

2. парциальное давление воздуха , исходя из значений

  и ; 

       

3. влагосодержание сухого воздуха , исходя из значений и ;

 
       

4. энтальпию сухого воздуха , исходя из значений

 и  ; 

       

5. влагосодержание влажного воздуха , исходя из значений

 и  ; 

       

6. энтальпию влажного воздуха , исходя из значений

  и ; 

       

7. по найденным  значениям  и определяем

 

       Исходя  из этих параметров, определяем удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги по формуле:

                                                                                             (7)

        

       Далее определяем расход абсолютно сухого воздуха при приготовлении продукта:

                                                                             (8)

        

       Производим  составление теплового  баланса:

1. Приход тепла:

1. с наружным воздухом:

                                                                       (9)

        

2. с влажным материалом:

                                                          (10)

       где – теплоемкость продукта,  

       

3. в основном калорифере:

                                                      (11)

        

2. Расход тепла:

1. с отобранным воздухом:

                                                                     (12)

        

2. с готовым материалом (продуктом):

                                                           (13)

       где C₂ – теплоемкость продукта после тепловой обработки,

       с₂=с^//_м  Дж/(кг·град);

         

3. при загрузке и выгрузке продукта (при транспортировке продукта):

       ,                                                   (14)

       где: Ө = t₂; c_в – теплоемкость воды, [Дж/(кг·град)], определяется по номограмме (см приложение 4);

       c_в=1,0 ккал/кг°С = 4,19 [Дж/(кг·К)],

       Q₆ = 4,19 65= 710479,445 ,

4. теплота потерь (Q₇) определяется из теплового баланса

       Тепловой  баланс:

       Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇                   (15)

       Q₇= Q₁ + Q₂ + Q₃ - Q₄ - Q₅ - Q_6;

       Q₇=

       Далее рассчитываем теплопотери  при тепловой обработке  на 1 кг испаренной влаги.

       Рассмотрим  последовательно все этапы расчета  теплопотерь.

1. Теплопотери в окружающую среду:

1. средняя разность температур сред (в камере аппарата и в окружающей среде) по длине аппарата:

                                                                           (16)

       

2. разность температур сред у торцов аппарата:

       t´_ср = t₁ – t₀, °С                                                                                          (17)

       t´_ср = 170 – 20 = 150 °С

       t´´_ср = t₂ – t₀, °С                              (18)

       t´´_ср = 65 – 20 = 45 °С 

3. интенсивность теплопотерь: