Расчет трубчатого теплообменника

 

Центрифуга - аппарат для механического разделения смеси на составные части действием центробежной силы. Применение центробежной силы для процессов разделения суспензий и эмульсий значительно интенсифицирует процесс.

 Центробежные жидкостные сепараторы широко применяются в пищевой промышленности, в частности для сепарации молока (отделения от молока сливок).

Фактор разделения

Эффективность центрифуги оценивается  по фактору разделения.

 Фактор разделения - один из  основных показателей работы  центрифуги, показывает во сколько  раз ускорение центробежного поля, развиваемого в данной центрифуге больше ускорения гравитационного поля. Математически - отношение центробежного ускорения к ускорению свободного падения. Зависит от числа оборотов и радиуса ротора.

 Рассчитывается по формуле: 

Fr  = w2R/g = 112g10-5 Rn2

где:

w = πn/30 угловая скорость 1/с;

n – число оборотов ротора  в минуту;

R – внутренний радиус ротора , м ;

g- ускорение гравитационного поля , м/с2.

Сепаратор - аппарат для разделения смесей на составные части.

Сепараторы различных видов используют множество разнообразных способов сепарации, основанных на разнице в качественных характеристиках компонентов в смеси: в размерах твёрдых частиц, в их массах, в форме, плотности, коэффициентах трения, прочности, упругости, смачиваемости поверхности, магнитной восприимчивости, электропроводности, радиоактивности и других.

Сепараторы по принципу действия можно  разделить на центробежные, центробежно-вихревые, центрифужные, прессо-шнековые, вибрационные и отстойные.

Пищевая промышленность

При производстве сливок, обезжиренного молока и других молочных продуктов встаёт проблема разделения белков, жиров и жидких компонентов молока, для чего используется пищевые сепараторы. Используются для отделения сливок от молока, творога от сыворотки и пр.

Пищевая промышленность/производство спирта

При производстве спирта каждый спиртзавод, в качестве отходов, вырабатывает огромное количество барды от 300 м³/сутки. Спиртовая  барда, отправляемая в отстойники и  на поля фильтрации, является серьёзной  проблемой, загрязняя окружающую среду. Многие страны в законодательном порядке запрещают эксплуатацию заводов и фабрик, производящих спирт, если на предприятии не решен вопрос с утилизацией спиртовой/послеспиртовой барды. Прессо-шнековый сепаратор способен справиться с этой проблемой. Спиртовая барда, поданная на сепаратор разделяется на твердую фракцию (кек) и на жидкую фракцию (фугат). Твердая фракция используется для корма животных в чистом виде либо отправляется на производство комбикормов.

Пищевая промышленность/производство пива

При производстве пива каждый пивзавод, в качестве отходов, вырабатывает огромное количество пивной дробины от 100 м³/сутки. Пивная дробина является серьёзной  проблемой, загрязняя окружающую среду. Прессо-шнековый сепаратор способен справиться с этой проблемой. Пивная дробина, поданная на сепаратор разделяется на твердую фракцию (кек) и на жидкую фракцию (фугат). Твердая фракция используется для корма животных в чистом виде либо отправляется на производство комбикормов.

 

57. Движущая сила  теплообменных процессов. Уравнение теплопередачи. Физический смысл коэффициента теплопередачи.

 

Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур теплоносителей (tx — t2). Движущая сила процессов теплопередачи при переменных температурах изменяется в зависимости от вида взаимного направления движения теплоносителей.

Чаще всего для определения  поверхности теплообмена используют следующее уравнение:

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К);

t1 и t2 – соответственно температуры  первичного и вторичного теплоносителей, К;

F – площадь поверхности теплопередачи,  м2.

Уравнение справедливо в предположении, что t1 и t2 остаются постоянными по всей поверхности теплообмена, однако эти  условия выполняются только в  частных случаях. В общем случае t1 и t2 изменяются по поверхности и, следовательно, изменяется и температурный напор Δt= t1 - t2.

Коэффициент теплоотдачи  характеризует процесс передачи тепла от некоторого теплоносителя (жидкость или газ) к твердой стенке. Определяется параметрами данного теплоносителя (режим течения, скорость, теплофизические характеристики типа плотности, вязкости и теплопроводности), а также характеристиками той части стенки, которая омывается данным теплоносителем (характерный размер, наличие оребрения и.д.).

Коэффициент зависит:

-от вида теплоносителя и его  температуры;

-от температуры напора, вида  конвекции и режима течения;

-от состояния поверхности и  направления обтекания;

-от геометрии тела.

Поэтому α — функция процесса теплоотдачи; величина расчётная, а  не табличная; определяется экспериментально.

Эквивалентная запись:

 

Из вышеприведённой дифференциальной формулировки можно вывести интегральную:

Количество теплоты, отданное через  площадку на границе раздела тел  площадью S за время t, пропорционально разности температур этих тел (если считать, что она остаётся за это время постоянной):

Коэффициент теплопередачи k характеризует  процесс передачи тепла между  двумя теплоносителями через  разделяющую их твердую стенку. Определяется коэффициентами теплоотдачи обоих теплоносителей и параметрами теплопередающей стенки (ее толщина и теплопроводность).

Разница между теплоотдачей α и  теплопередачей k состоит в следующем. Суммарный перенос тепла складывается из нескольких стадий: стадия теплопереноса  в первой среде, стадия теплопереноса от первой среды к стенке, стадия теплопереноса в самой стенке, стадия теплопереноса от стенки ко второй среде, стадия теплопереноса во второй среде. Коэффициенты теплоотдачи описывают отдельные стадии этого суммарного теплопереноса на стадии среда-стенка. А коэффициент теплопередачи описывает суммарный теплоперенос в целом со всеми его стадиями. По этой причине вначале всегда рассчитываются коэффициенты теплоотдачи α, а затем через них рассчитывается коэффициент теплопередачи k.

58. Классификация процессов пищевых производств.

 

Принципы классификации  процессов пищевых производств.

Естественные процессы пищевой  технологии в зависимости от закономерностей  их протекания можно подразделить на ряд основных групп:

-гидромеханические, 

-механические,

-теплообменные, 

-массообменные, 

-физические,

-биологические. 

Гидромеханические процессы – это процессы в жидкостных или газовых системах, скорость которых определяется законами механики и гидродинамики. Основой гидромеханических процессов является гидростатическое или гидромеханическое воздействие на сырье и материалы. К ним относят процессы транспортирования жидкостей и газов, разделения жидкостных и газовых систем, перемешивания в жидких средах, диспергирования, пенообразования и псевдоожижения, отстаивания, фильтрования, центрифугирования и сепарирования. Движущей силой гидромеханических процессов является перепад давления.

Механические процессы – это процессы чисто механического взаимодействия тел. Они являются физическими процессами и связаны с преобразованием формы, положения, размеров, соотношения твердых тел в смесях. К ним относят процессы измельчения, резания, прессования, смешивания, сортирования неоднородных сыпучих систем и др. Механические процессы описываются законами механики твердых тел, движущей силой которых является сила механического давления, или центробежная сила, разность усилий в различных точках обрабатываемого объекта.

Теплообменные процессы – это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел (или сред) к менее нагретым. К ним относят процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т.п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи, их движущей силой является разность температур.

 Массообменные, или диффузионные, процессы – это процессы, связанные с переносом вещества в различные агрегатные состояния из одной фазы в другую. К ним относят абсорбцию, адсорбцию, экстракцию, ректификацию и перегонку, сушку, кристаллизацию, растворение и др. Движущая сила разнообразных массообменных процессов представляет собой разность концентраций вещества в различных фазах.

Физические процессы – это процессы переработки пищевых продуктов, основанные на законах физики в сочетании с другими процессами. Так, гель–фильтрацию и обратный осмос можно отнести к гидромеханическим процессам. Особо следует рассмотреть обработку в электростатическом поле, электродиализные процессы.

Биологические процессы – это процессы, осуществляемые с помощью живых микроорганизмов и подчиняемые биологическим законам их жизнедеятельности. К таким процессам относят брожение, микробиологический синтез, ферментацию

 

59. Определение  продолжительности и эффективности  процессов смешивания.

 

Смешивание материалов – сложный  механический процесс. Основной качественный критерий завершенности процесса смешивания – однородность конечного продукта.

Однородной считается смесь, в  которой содержание компонентов  в любом ее объеме не отличается от заданного содержания всей смеси. Для достижения однородности (гомогенности) применяют смесители непрерывного и периодического действия. Первые смесители обычно применяют после дозаторов непрерывного действия, а смесители периодического действия – после дозаторов периодического действия.

Эффективность смешивания зависит  как от физических свойств компонентов (гранулометрический состав, форма и характер поверхности частиц, влажность, плотность), так и от параметров смесителя (продолжительность смешивания, скорость рабочих органов смесителя, степень заполнения и других показателей).

Невозможно определить, насколько  равномерно распределены все компоненты в смеси. Проследить за равномерностью распределения можно. Однако определить равномерность распределения этих компонентов можно лишь в тех  случаях, когда методы их количественного определения сравнительно просты и наличие других компонентов не мешает анализу. Такими компонентами могут быть поваренная соль или мел, называемые «ключевыми» компонентами.

Эффективность смешивания, которое  рассматривают как стохастический (случайный) процесс, определяют на основе статистических характеристик смеси. Такой характеристикой обычно служит коэффициент вариации (неоднородности) распределения «ключевого» компонента в смеси.

Коэффициент вариации определяют по формуле:

 

 

где – среднее содержание «ключевого» компонента в смеси, %;

 – содержание «ключевого»  компонента в каждой из проб, %;

n – число проанализированных  проб.

Для оценки процесса смешивания следует  придерживаться следующих показателей:

если  Vc < 3% , то качество смеси  отличное; если  3% < Vc < 7% - хорошо, 7% < Vc < 15% - удовлетворительно, Vc > 15% - плохое.

Эффективность смешивания в смесителях периодического действия зависит в  основном от продолжительности процесса. Однородность смеси быстро возрастает в первые минуты процесса, но по истечении некоторого времени практически не изменяется. Поэтому важно установить оптимальное время для достижения достаточной однородности. Это позволит, во-первых, обеспечить высокую однородность, во-вторых, затратить на процесс столько времени, сколько необходимо для того, чтобы не расходовать лишнюю электроэнергию и не снижать производительности смесителя.

60. Классификация  неоднородных систем и способы  их разделения.

 

Неоднородная система – система, которая состоит из двух или  нескольких фаз, каждая из которых имеет свою поверхность раздела и различается по физическим и химическим свойствам. В зависимости от свойств внешней дисперсной среды различают жидкие и газовые системы.

В зависимости от размера твёрдых  частиц суспензии бывают: грубые >100мкм, тонкие 0,1 – 100 мкм, коллоидные растворы <0,1 мкм. Эмульсии с размером частиц >0,4-0,5 мкм расслаиваются (под действием сил гравитации), а меньшие устойчивые.

Основными методами разделения неоднородных систем пищевой технологии является осаждение и фильтрование.

Осаждение – процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем под действием гравитационных сил (отстаивание), центробежных сил, центрифугирования и сил электрического поля.

Отстаивание – разделение под действием гравитационных сил – частный случай процесса осаждения, характеризуется скоростью осаждения частиц, скоростью движения потока и качеством получаемого продукта.

Отстойники являются малоэффективными и требуют больших площадей рабочих помещений, поэтому с целью интенсификации разделения пылей, суспензий и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.

Для создания поля центробежных сил  используют 2 технических приема:

1.Поток поступает в неподвижный  аппарат и вращается в нем  – циклонный процесс, аппарат  – циклон;

2.Поток жидкости, газа поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним – отстойное центрифугирование, аппарат – центрифуга или сепаратор.

Гидроциклоны – применяются для осветления, обогащения суспензий, классификации твёрдых частиц по размерам от 15 до 150 мкм. Для осветления также вод после мойки пищевых продуктов.

Сепараторы используют для разделения тонкодисперсных суспензий и эмульсий. В промышленности нашли распростронение одно и много камерные, тарельчатые сепараторы. В тарельчатых сепараторах благодаря установке в роторе пакета конических тарелок поток жидкости разделяется на большое число тонких слоев. Это обеспечивает ламинарный режим прохождения жидкости и уменьшает путь осаждающихся частиц.

Фильтрование – процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем (смесей) с использованием перегородки задерживания частицы.

Фильтрование под действием  центробежной силы проводят на фильтрующих центрифугах.

Фильтрующие центрифуги периодического и непрерывного действия разделяются по расположению вала на: вертикальные и горизонтальные, по способу выгрузки осадка: - с гравитационной, - ручной, - пульсирующей, - центробежной.

При разработке новых видов фильтровального  оборудования следует ориентироваться  на создание компактных аппаратов с  развитой фильтровальной поверхностью, позволяющих проводить ее регенерацию без остановки технологического процесса.