Расчет трубчатого теплообменника

49)

Теория конвективного теплообмена позволяет определить коэффициенты теплоотдачи для подобных случаев теплообмена путем обобщения экспериментальных данных. Для этого применяются критериальные числа подобия:

·        критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность конвективного теплообмена                  

Nu = a l / l ,                                                

где l - коэффициент теплопроводности окружающей среды, Вт/(м×К);

l - характерный геометрический размер теплоотдающей поверхности, который для горизонтально расположенной трубы принимается равным наружному диаметру, м;

 Теплоотдающей поверхностью  в опытах по определению коэффициента  теплоотдачи конвективного теплообмена  служит поверхность металлической  трубы.

Внутри трубы, установленной  на стойках, находится электрический  нагреватель, мощность которого регулируется автотрансформатором и измеряется ваттметром. Мощность нагревателя W в условиях стационарного теплового режима равна полному тепловому потоку Q_полн с поверхности нагретой трубы в окружающую среду.

Применение теории подобия  позволяет обобщить результаты экспериментальных  исследований теплоотдачи в виде критериальных уравнений для  конкретного класса явлений. Критериальные  уравнения подобия теплоотдачи устанавливают зависимость критерия Нуссельта от определяющих критериев (Pr,Gr). Как правило, эти уравнения представляются в виде степенных функций. В условиях свободной конвекции критериальное уравнение имеет вид:                               

` _ж = с ( Gr_ж × Pr_ж ) ⁿ.                                   

Эмпирические коэффициенты c и n, входящие в уравнение, определяются путем статистической обработки многочисленных экспериментальных данных. Для теплоотдачи с поверхности горизонтальной трубы при свободной конвекции в диапазоне величин    5×10 ² < Gr_ж× Pr_ж < 2×10  ⁷  эти коэффициенты имеют постоянные значения :

c = 0,5 ;   n = 0,25,

а критериальное уравнение  теплоотдачи принимает следующий  вид:

`

_ж = 0,5  ( Gr_ж × Pr_ж ) ^0,25.         

Практическое использование эмпирических уравнений подобия заключается в нахождении коэффициентов теплоотдачи по значению  _ж, вычисленному из критериального уравнения для данного класса явлений.

 

50) Понятие  термодиффузии.

Движение влаги под  действием только градиента влагосодержания называют диффузией. Под этим общим термином подразумеваются различные виды молярного и молекулярного переноса свободной и связанной жидкости,— в зависимости от вида тел и форм связи влаги с материалом различают: капиллярную диффузию и пленочное движение, а также концентрационную и избирательную диффузии.

При малом влагосодержании  тела и (или) при интенсивном подводе тепла возникает температурный градиент. Движение влаги под действием   температурного   градиента   называют   термодиффузией.

Этот термин объединяет следующие виды переноса жидкости и пара: капиллярную термодиффузию жидкости, термодиффузию пара, неизотермическое пленочное движение жидкости и тепловое скольжение жидкости и пара.

При температуре тела более 100 °С (и при меньшей, если тело нагревается изнутри — при сушке в электромагнитном поле) интенсивное парообразование приводит к тому, что парциальное давление насыщенного пара становится больше барометрического давления окружающего воздуха.

В процессах диффузии, термодиффузии и при наличии градиента давления пар перемещается от участков с большими влагосодержа-нием, температурой, давлением к участкам с меньшими значениями параметров — в направлении, противоположном вектору соответствующего градиента.

Особенности влагопереноса в различных телах. В капиллярно-пористых телах влага в основном связана в макро- и микрокапиллярах, но имеется также незначительное количество адсорбционной влаги.

Коэффициент диффузии капиллярно-пористого тела возрастает с увеличением влагосодержания и температуры тела. Относительный коэффициент термодиффузии капиллярно-пористого тела йкп зависит от влагосодержания и температуры, причем характер кривых k_Kn(U) определяется видом влагопереноса. Для большинства тел он увеличивается с повышением влагосодержания, достигает наибольшего значения, затем остается постоянным или уменьшается. Для типичных коллоидных тел характерны адсорбционная, осмотическая связи и связь влаги в микрокапиллярах, средний радиус которых того же порядка, что и размер молекул и мицелл коллоидного тела. Коэффициент диффузии типичного коллоидного тела зависит от влагосодержания: с повышением влагосодержания он несколько увеличивается, достигает некоторого максимума, затем уменьшается. Относительный коэффициент термодиффузии коллоидных тел /г_тк зависит от влагосодержания и температуры. Зависимость k_TV.(U) имеет четко выраженный максимум, положение которого определяет границу между адсорбционной и осмотической связями влаги. С повышением температуры k_JK уменьшается.

Осмотически связанная влага легко удаляется лишь с поверхно-сти типичного коллоидного тела. Движение ее внутри тела замедленно, так как на пути к поверхности она преодолевает многочисленные стенки клеток или, оказавшись в межклеточном пространстве, движется как влага микрокапилляров. Попытки интенсифицировать процесс сушки приводят к образованию поверхностной корки: наружные слои быстро обезвоживаются, дают сильную усадку, роговеют, теряют способность пропускать влагу. По этим причинам сушку типичных коллоидных тел следует проводить при умеренных градиентах влагосодержания и температуры.

 

№51:Основные критерии гидродинамического подобия.

Гидродинамическое подобие-это подобие потоков несжимаемой жидкости, включающее в себя подобие геометрическое, кинематическое и динамическое. Под геометрическим подобием понимается подобие поверхностей, которые ограничивают потоки жидкостей соответственно модели и натуры . Под кинематическим подобием понимается подобие линий тока жидкостей и пропорциональность сходственных скоростей. Под динамическим подобием понимается пропорциональность сил, действующих на сходственные элементы кинематически подобных потоков, и равенство углов, характеризующих направления действия этих сил.

В гидравлике рассматриваются  критерии подобия Ньютона, Рейнольдса, Эйлера, Фруда, Дарси.

Критерий подобия Ньютона

Ne=FL/mv²= idem (10.7)

выражает зависимость  между равнодействующими силами F, массами m, скоростями v и линейными размерами L в динамически подобных потоках жидкости в самом общем виде. Под силой F понимается любая сила, действующая в жидкости: давления, трения, тяжести, вязкости и др. Критерий подобия Рейнольдса используется для систем, где определяющей силой  в потоке жидкости является сила внутреннего трения

F_тр= nrSdv/dy. (10.8)

Эта сила характерна для потоков вязкой жидкости в трубопроводах. Подставляя выражение (10.8) в соотношение (10.7) вместо силы F и произведя некоторые преобразования, получим безразмерный комплекс, называемый критерием Рейнольдса,

Re= vL/n= idem,

где n- кинематическая вязкость жидкости.

 

№52:Прессование. Назначение, сущность и виды прессования.

Прессова́ние  — процесс обработки материалов давлением, производимый с целью увеличения плотности, изменения формы, разделения  фаз материала, для изменения механических или иных его свойств. Как правило, для прессования применяют прессы высокого давления. Прессование используют в различных отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве. Сущность процесса прессования заключается в том, что металл, помещенный в замкнутый объем — контейнер, подвергается высокому давлению и выдавливается сквозь отверстие, принимая его форму.  Прессование применяют для изготовления прутков, труб и изделий сложных профилей. Наружные размеры и форма каждого профиля определяются размерами и формой отверстия матрицы, а внутренняя — формой и наружными размерами иглы .Прессование может быть прямое и литьевое. Литьевое прессование применяется для изготовления изделий сложной конфигурации с небольшой толщиной стенок и когда предъявляется повышенное требование к точности размеров изделия. Прямое прессование применяется при изготовлении изделий значительной массы и объёма, с большой толщиной стенок, а также при переработке низкотекучих  высоконаполненных композиций. Жидкофазное прессование (горячее). Этим методом получаются изделия из термо- и реактопластов, а также резиновых смесей. Метод заключается в пластическом деформировании материала при совместном воздействии тепла и давления с последующей фиксацией формы. К достоинствам метода прессования можно отнести: -более высокую точность профилей, по сравнению с аналогичными профилями, получаемыми при прокатке; -возможность избежать малопроизводительных отделочных операций; -высокую производительность; -возможность получения сложных профилей. Наряду с достоинствами у прессования есть и существенные недостатки: значительный износ инструмента, большой отход металла, особенно при прессовании труб большого диаметра.

№53:Аппараты для  прессования. Устройство и принцип работы.

 

№54:Температурное  поле. Градиент температуры.

Температурное поле - совокупность значений температур во всех точках рассматриваемого пространства в данный момент времени. Математически Т. п. может быть описано уравнением зависимости температур от 3 пространственных координат и от времени (нестационарное трёхмерное Т. п.). Для установившихся (стационарных) режимов Т. п. от времени не зависит. Во многих случаях может рассматриваться зависимость Т. п. от двух, а иногда от одной координаты. Графически Т. п. изображают посредством изотермических поверхностей, соединяющих все точки поля с одинаковой температурой, а для двухмерного поля — посредством семейства изотерм. Расстояние между изотермами обратно пропорционально Градиенту температуры; при этом скалярному Т. п. соответствует векторное поле градиентов температуры. ГРАДИЕНТ ТЕМПЕРАТУРЫ вертикальный или вертикальный термический градиент— падение температуры воздуха на каждые 100 м в вертикальном направлении. В сухом воздухе градиент температуры составляет около 1°, в насыщенном водяным паром — около 0,5°.

 

№55:Общие признаки массообменных процессов.

Массообменными процессами называют такие технологические  процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией: абсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, сушка, адсорбция, кристаллизация и др. Аппараты, в которых протекают эти процессы, называют массообменными аппаратами. В массообмене участвуют, как минимум, три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую. Массопередача имеет место в процессах абсорбции, перегонки и ректификации, экстракции и выщелачивания, сушки, адсорбции, кристаллизации и др. Все массообменные процессы обладают рядом общих признаков.

1. Они применяются для разделения смесей.

2.В любом процессе  участвуют по крайней мере  две фазы: жидкая и паровая  (перегонка, ректификация), жидкая  и газовая (абсорбция), твердая  и парогазовая (адсорбция), твердая  и жидкая (адсорбция, экстракция), две жидких (экстракция).

3.Переход вещества  из одной фазы в другую осуществляется  за счет диффузии.

4.Движущей силой массообменных  процессов является разность  концентраций (градиент концентраций) фактической в данной фазе G и равновесной с фактической в другой фазе L. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонента меньше, чем это следует из условия.

5.Перенос вещества  из одной фазы в другую происходит  через границу раздела фаз.

6.Диффузионные процессы  обратимы, т. е. направление процесса определяется законами фазового равновесия, фактическими концентрациями компонентов в обеих фазах и внешними условиями (температура, давление). Так, например, при повышении температуры и понижении давления поглощение газа жидкостью (абсорбция) может перейти в обратный процесс — в удаление газа из жидкости (десорбция).

7.Переход вещества  из одной фазы в другую заканчивается  при достижении динамического равновесия. При этом обмен молекулами через границу раздела фаз не прекращается, однако концентрации компонентов в обеих фазах остаются неизмененными и равными равновесным.

 

53. Аппараты  для прессования. Устройство и  принцип работы

В пищевой промышленности применяют прессы самых разнообразных конструкций. Их можно разделить на две большие группы: гидравлические и механические.

Гидравлический пресс работает по законам гидравлики. Основной узел пресса — рабочий цилиндр, внутри которого перемещается плунжер, соединенный с подвижной плитой. Гидравлические прессы широко применяют при переработке фруктов и овощей с целью получения соков, для производства ликеров и эссенций

В сахарной промышленности для обезвоживания жома применяют наклонные горизонтальные и вертикальные шнековые прессы с одно- и двусторонним отжатием. Прессы двустороннего отжатия более производительны, чем одностороннего, и позволяют отжимать жом до более низкой конечной влажности.

Штемпельные и ротационные прессы применяют для брикетиро- зания сухого жома. Спрессованный материал на выходе из отверстия матрицы срезается ножом и лопастью направляется в выгрузочный лоток.

Дисковый пресс, используется в производстве прессованного сахара-рафинада. Матрицы пресса выполнены в виде латунных коробок, которые вставлены в отверстия диска.

Из таблетирующих машин наибольшее распространение в пищевой промышленности получили ротационные. В этих машинах материал прессуется пуансонами (штемпелями), вмонтированными в ротор по его окружности на двух уровнях

Двухшнековый формовочный пресс используют в производстве конфет, в частности пралине, методом формования конфетной массы через кадиброванные отверстия.

 Дражировочный гранулятор представляет собой чашеобразный корпус с вогнутым дном, который совершает сложное движение в горизонтальной плоскости. В результате происходит окатывание ядра оболочкой, что приводит к росту гранул. Ядром служат обычно кристаллы сахара, изюм и орехи, ягоды и т. д. Оболочка состоит из сахарной цедры, порошка какао, кофе

 

56. Факторы разделения. Аппараты для центробежного разделения.