МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМК
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
УМКД
Редакция №
Учебно-методические мате- «___»_____2014г.
риалы по дисциплине
«Процессы и аппараты в
биотехнологии»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
В БИОТЕХНОЛОГИИ»
для специальности 5В070100 –
«Биотехнология»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
«___»_____2014г.
Содержание
1
2
3
4
5
2
Глоссарий
Лекции
Лабораторные занятия
Самостоятельная работа студента
Литература
страница 2 из 80
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 3 из 80
«___»_____2014г.
1. ГЛОССАРИЙ
Абсорбция – процесс поглощения газов или паров всем объёмом жидкости.
Адсорбция – процесс поглощения газов или паров поверхностью твёрдого тела.
Абсорбент – жидкость, поглощающая газы или пары.
Абсортив – вещество, поглощаемое в сорбционных процессах.
Адсорбент - твёрдое вещество, поглощающее газы или пары.
Аппарат – устройство, предназначенное для поведения технологического процесса, в камере которого отсутствует рабочий орган.
Барботаж - процесс прохождения газов или паров через жидкость при абсорбции, сопровождающийся эффектом вспенивания (кипения).
Выпаривание - процесс удаления воды из раствора при его кипении с целью
повышения концентрации сухих веществ.
Движущая сила - физический фактор, обеспечивающий протекание процесса
и характеризующий степень отклонения системы от состояния равновесия.
Десорбция – процесс выделения из жидкости газов или паров.
Дефлегмация - процесс частичного разделения пара на флегму и дистиллят.
Дробление - процесс измельчения твёрдого кускового материала без правильного формообразования.
Классификация (сортирование) – процесс разделения сырья, полуфабрикатов,
готовой продукции по определённым качественным признакам.
Контракция – процесс сжатия объёма смеси этиловый спирт-вода при её образовании.
Конденсация – процесс фазового перехода пара в жидкость при определённой
температуре (температуре конденсации).
Кристаллизация - процесс образования и роста кристаллов в насыщенных растворах при понижении давления или температуры.
Массопередача – процесс перехода вещества из одной фазы в другую фазу
вследствие разности концентраций между фазами.
Массоотдача – процесс перехода вещества из одной фазы к границе раздела
фаз, либо от границы раздела вглубь второй фазами.
Машина - устройство, предназначенное для поведения технологического процесса, в камере которого имеется рабочий орган.
Перегонка – процесс разделения жидкой летучей смеси на отдельные компоненты за счёт различной температуры кипения данных компонентов.
Перемешивание - процесс приведения в тесный контакт двух или более веществ с целью образования однородного поля по концентрации и температуре
в однородной массе.
Прессование - процесс обработки пищевого сырья, полуфабрикатов, готовой
продукции силой избыточного давления в специальных машинах (прессах).
Процесс – постоянное изменение параметров в системе, приводящее к возникновению в ней новых свойств.
3
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 4 из 80
«___»_____2014г.
Растворение - процесс образования раствора веществ при их физическом
взаимодействии.
Ректификация - процесс сложной перегонки, осуществляемый в специальных
колонных аппаратах тарельчатого типа.
Самоиспарение - процесс частичного испарения воды из раствора при его
поступлении в область более низкого давления при выпаривании.
Сепарирование - процесс разделения тонкодисперсных суспензий и эмульсий
под действием центробежного поля на тарелках сепаратора.
Система – совокупность двух или более фаз, приведённых в контакт (непосредственно или через стенку) в рабочей камере аппарата или машины.
Сушка - процесс удаления влаги из влажного материала вследствие разности
концентраций влаги в материале и окружающей среде.
Сушильный агент - газообразная среда, используемая для подачи в сушильный аппарат конвективного типа.
Установка - комплекс аппаратов, машин, устройств, служащий для осуществления определённого технологического процесса.
Технологическая линия - комплекс функционально связанных установок, аппаратов, машин, устройств, обеспечивающий производство конечного продукта
из сырья.
Фаза – определённое количество вещества единого агрегатного состояния,
находящееся в рабочей камере аппарата или машины. Две или более фаз образуют систему.
Фильтрование – процесс разделения суспензий на осадок и осветленную
жидкую фазу, основанный на задерживании твёрдых частиц пористыми перегородками - фильтрами.
Фугат - осветлённая фаза, получаемая в результате центрифугирования.
Экстрагирование – процесс разделения сложного по составу вещества на отдельные компоненты за счёт воздействия на вещество растворителем, обладающим избирательной растворимостью.
Экстракция – (см. экстрагирование).
4
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 5 из 80
«___»_____2014г.
2. ЛЕКЦИИ
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Наименование лекционных занятий и их содержание:
Лекция 1. Предмет изучения курса ПАБТ. Классификация технологических процессов. Основные (базовые) законы курса ПАБТ.
Лекция 2. Основы теории подобия и моделирования
Лекция 3. Основы гидравлики. Физические свойства жидкостей.
Основы гидростатики.
Лекция 4 .Основы гидравлики. Основы гидродинамики. Насосы.
Лекция 5. Механические процессы. Дробление. Сортирование.
Прессование.
Лекция 6. Гидромеханические процессы. Перемешивание. Отстаивание. Центрифуги. Фильтрование. Схемы аппаратов.
Лекция 7. Тепловые процессы Нагревание. Схемы теплообменников
Теплопередача в теплообменных аппаратах.
Лекция 8. Тепловые процессы Нагревание. Порядок проектного
расчёта трубчатого теплообменника
Лекция 9. Тепловые процессы Выпаривание. Материальный и тепловой балансы выпарного аппарата.
Лекция 10. Тепловые процессы Выпаривание в многокорпусной
выпарной установке (МВУ).
Лекция 11. Тепловые процессы Классификация и схемы выпарных
аппаратов. Основы расчёта многокорпусной выпарной установки
(МВУ).
Лекция 12. Массообменные процессы. Основы теории.
Лекция 13 Процесс сушки. Основы теории. Способы и методы сушки.
Лекция 14. Расчёт конвективных сушилок.
Лекция 15. Конструкции сушилок.
Всего часов
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
15
Лекция 1. Предмет изучения курса ПАБТ. Классификация технологических процессов.
План лекции:
1. Предмет изучения курса ПАБТ.
2. Основные определения.
3. Рациональная классификация процессов.
1. В курсе ПАБТ изучают кинетику и динамику процессов, искусственно создаваемых в пищевой промышленности в определённых технологических целях.
5
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 6 из 80
«___»_____2014г.
Технология - наука о практическом применении законов физики, химии, биологии и других базисных наук с целью получения готовой продукции из определённого сырья. Технология представляет собой систему регламентированных правил и инструкций всего интегрального процесса переработки исходного сырья в конечный продукт.
Технология условно подразделяется на механическую и химическую отдельные технологии. Древнейшей ветвью химической технологии является производство пищевых продуктов (пищевая технология). Особенность пищевой технологии состоит в том, что на пищевых предприятиях перерабатывают сырьё
животного и растительного происхождения. Проведение пищевых технологических процессов требует особо строгой стерильности и гигиеничности.
2. При всём разнообразии технологических процессов пищевых производств
многие из них являются общими. Таким образом, все технологические процессы в курсе ПАБТ рационально классифицируют на четыре группы (класса).
1. Механические процессы.
2. Гидромеханические процессы.
3. Тепловые процессы
4. Массообменные процессы.
В свою очередь каждая группа процессов включает в себя конкретные частные
процессы.
К механическим процессам относят:
1.1. Дробление (измельчение).
1.2. Классификация (сортирование).
1.3. Прессование.
К гидромеханическим процессам относят:
2.1. Перемешивание.
2.2. Осаждение.
2.3. Фильтрование.
К тепловым процессам относят:
3.1. Охлаждение.
3.2. Нагревание
3.3. Выпаривание.
3.4. Конденсация.
К массообменным процессам относят:
4.1 Абсорбция.
4.2 Адсорбция.
4.3. Сушка.
4.4. Перегонка.
4.5. Экстрагирование.
4.6. Кристаллизация.
6
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 7 из 80
«___»_____2014г.
3. Как правило, механические процессы в большинстве случаев являются
подготовительными процессами обработки сырья или полуфабрикатов. Рассмотрим определения механических процессов.
Дробление - процесс измельчения твёрдого кускового материала без правильного формообразования. Дробление происходит при условии, что внешняя сила
воздействия на материал превосходит силу сопротивления структуры материала.
Прессование - процесс обработки пищевого сырья, полуфабрикатов, готовой
продукции силой избыточного давления в специальных машинах (прессах).
При прессовании внешняя сила давления должна быть больше, чем сила сопротивления
Сортирование - процесс разделения материалов (сырья, полуфабрикатов, продукции) по определенным качественным признакам (крупности, форме, физическим свойствам и др.).
Гидромеханические процессы чаще всего являются последующими после
механических процессов. Рассмотрим определения гидромеханических процессов.
Перемешивание - процесс приведения в тесный контакт одного или нескольких компонентов с целью создания однородной по распределению веществ массы. При перемешивании происходит выравнивание полей концентрации и температуры по всему объёму.
Осаждение - процесс разделения неоднородной жидкой системы (НЖС)
на твёрдую фазу - осадок и жидкую осветвлённую фазу - декантат или фугат.
Фильтрование - процесс разделения неоднородной жидкой системы
(НЖС) на твёрдую фазу - осадок и жидкую осветвлённую фазу - фильтрат.
Тепловые процессы, в основном, выступают как основные процессы всего производственного цикла. Рассмотрим определения тепловых процессов.
Охлаждение - процесс обработки пищевых сырья, полуфабрикатов, продуктов
холодом при околонулевых (собственно охлаждение) или отрицательных
температурах (замораживание).
Нагревание - комплекс процессов обработки пищевых сырья, полуфабрикатов, продуктов теплом. К нагреванию относят следующие частные процессы: варку, шпарку, обжарку, пастеризацию, стерилизацию.
Выпаривание - процесс удаления воды из растворов при кипении с целью
их концентрирования. При этом растворённые вещества остаются в неизменном количестве.
Конденсация - процесс фазового перехода парообразного или газообразного вещества в жидкость. Конденсация в технологических процессах пищевых
производств в основном является вторичным процессом, неизбежно сопутствующим выпариванию или теплопередаче в теплообменниках. В этих случаях
речь идёт о конденсации греющего водяного пара. Конденсация применяется
также при сжижении газов при значительном избыточном давлении
7
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 8 из 80
«___»_____2014г.
Массообменные процессы чаще всего выступают в качестве основных технологических процессов пищевых производств. Также некоторые массообменные
процессы используются в качестве экологических процессов. Рассмотрим
определения массообменных процессов.
Абсорбция – процесс поглощения газов или паров всем объёмом жидкости.
Адсорбция – процесс поглощения газов или паров поверхностью твёрдого тела.
Сушка - процесс удаления влаги из влажного материала вследствие разности
концентраций влаги в материале и окружающей среде. Цель: увеличение сроков хранения продукта (материала), а также придание продукту товарного вида
и транспортабельности.
Экстрагирование – процесс разделения сложного по составу вещества на отдельные компоненты за счёт воздействия на вещество растворителем, обладающим избирательной растворимостью.
Кристаллизация - процесс образования и роста кристаллов в насыщенных растворах при понижении давления или температуры.
Растворение - процесс образования раствора веществ при их физическом
взаимодействии.
Вопросы для самопроверки.
1. Чем вызвано создание курса ПАБТ? Что является его основой, что изучается
в курсе, что дает знание курса. Что такое процесс? В чем заключается существенное отличие аппарата от машины. Что является основной характеристикой
аппаратов и машин?
2. Дайте технико-экономическую оценку аппаратов периодического и непрерывного действия. Укажите их достоинства и недостатки.
3. На какие группы делятся процессы, изучаемые в курсе? Что является движущими силами их?
4. Какие процессы изучаются в каждом разделе курса? Характеристика этих
процессов.
5. Сущность стационарных и нестационарных процессов. Как определяется закон протекания этих процессов? Чем вызывается начало любого процесса? Что
такое система, какие имеются системы, их характеристика?
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 2. Основные (базовые) законы курса ПАБТ.
План лекции:
1. Закон движущей силы процессов (принцип Ле-Шателье)
8
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 9 из 80
«___»_____2014г.
2. Закон кинетики процессов.
3. Закон сохранения массы в системе.
4. Закон сохранения энергии в системе.
5. Закон равновесия в системе (правило фаз Гиббса)
6. Закон оптимизации процессов.
1. Закон движущей силы процессов (принцип Ле-Шателье)
Формулировка: «Для того, чтобы протекал любой технологический процесс
необходимо, чтобы система была выведена из состояния равновесия, при этом
разность потенциалов всегда величина положительная».
Движущая сила всегда представляет собой разность потенциалов одной
физической величины – разность уровней энергии:
 = 1 - 2
где  - разность потенциалов (движущая сила процесса);
1 - потенциал в первой фазе;
2 - потенциал во второй фазе;
В качестве  выступают следующие величины: ;  p, t, C, характерные для каждой группы (класса) процессов. Таким образом, чтобы протекал
любой технологический процесс необходимо, чтобы:
 0, следовательно, 1  2.
При состоянии в системе, когда 1 = 2,   = 0, в ней установилось равновесие и процесс не происходит. В пищевых производствах всегда в ходе
рабочей смены в аппаратах искусственно поддерживают  0.
2 Закон кинетики процессов.
В процессовых расчётах необходимо знать закономерность изменения скорости протекания данных процессов. (u). Установлено, что скорость процесса
прямо пропорциональна движущим силам и обратно пропорциональна сопротивлению со стороны системы:

u
R
3. Закон сохранения массы в системе.
В ПАПП приобретает форму уравнения материального баланса для данного работающего аппарата. Рассмотрим аппарат непрерывного действия на рис.1:
9
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 10 из 80
«___»_____2014г.
5
1
4
2
3
Рис.1. Схема аппарата непрерывного действия.
1,2 – входящие массовые потоки,
3,4,5 – выходящие массовые потоки.
Уравнение материального баланса примет вид:
Мс1 + Мс2 = Мс3 + Мс4 + Мс5 ,
где Мс1, Мс2 – массовые расходы входящих потоков; кг/с
Мс3, Мс4, Мс5 - массовые расходы выходящих потоков; кг/с.
Данное уравнение используют для расчёта какого-либо аппарата по затратам
сырья или выходу готового продукта.
4. Закон сохранения энергии в системе.
В ПАПП приобретает форму уравнения теплового баланса для данного работающего аппарата. непрерывного действия (см. рис.1)
Q1 + Q2 = Q3 +Q4 + Q5 + QП ;
где Q1;Q2 – входящие тепловые потоки, Вт;
Q3,Q4,Q5 - выходящие тепловые потоки, Вт;
QП – тепловые потери, Вт.
Данное уравнение используют для расчёта тепловой нагрузки, расхода греющего теплоносителя в аппарате.
5. Закон равновесия в системе (правило фаз Гиббса).
Устанавливает число термодинамических параметров, которые полностью характеризуют равновесное протекание процесса или установившееся равновесие, при котором процесс практически не происходит. Термодинамические параметры называют степенями свободы системы (S). Как известно, к ним относят давление – р, объём – V, температура – Т, концентрация одного или нескольких компонентов – С.
S = К – Ф + 2;
10
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 11 из 80
«___»_____2014г.
S – число степеней свободы системы;
К – число компонентов в системе
Ф - число фаз в системе;
2 - число внешних параметров, определяющих равновесие в системе (р и Т).
6. Закон оптимизации процессов.
Один и тот же технологический процесс можно осуществить несколькими
способами. Один из этих способов в данных конкретных условиях является оптимальным. Выбор такого, наиболее целесообразного способа, называется оптимизацией процесса. Оптимизация предполагает такую организацию технологического процесса, при которой максимальная производительность аппарата,
машины, линии будет обеспечена при возможно минимальных затратах сырья
и энергии. Каждый процесс требует в принципе индивидуального подхода, однако существуют универсальные решения – принципы, которые строго должны
соблюдаться при оптимизации любых технологических процессов. Это следующие принципы:
1.Непрерывность протекания процесса.
2.Противоточность обменивающихся потоков.
3.Обновление поверхности контакта фаз.
4.Создание развитой поверхности контакта между фазами.
5.Ступенчатое использование греющих теплоносителей.
6.Закон масштабного перехода и моделирования.
Вопросы
Сущность основных и общих законов, определяющих условия системы, их характеристика?
2 Как пишется общее выражение скорости протекания процессов? Физический
смысл и размерность величин, входящих в общее выражение. К какому однообразному виду могут быть приведены кинетические уравнения процессов? Их
физический смысл.
3. Охарактеризуйте закон движущей силы процессов (принцип Ле-Шателье)
4. Охарактеризуйте закон кинетики процессов.
5. Охарактеризуйте закон сохранения массы в системе.
6. Охарактеризуйте закон сохранения энергии в системе.
7. Охарактеризуйте закон равновесия в системе (правило фаз Гиббса)
8. Охарактеризуйте закон оптимизации процессов.
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
11
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 12 из 80
«___»_____2014г.
Лекция 3. Основы теории подобия и моделирования.
План лекции:
1. Сущность моделирования.
2. Способы исследования процессов.
3. Сущность теории подобия.
4. Теоремы подобия.
1.
Сущность моделирования.
Моделирование – способ изучения процесса (объекта), при котором вместо самого объекта (оригинала) изучается его уменьшенная копия, называемая моделью. Результаты моделирования путём масштабного перехода переносятся на
оригинал. Основной результат моделирования состоит в предсказании поведения оригинала в рабочих условиях производства на базе расчётов и эксперимента. Методы моделирования основаны на подобии различных объектов.
К моделированию предъявляются следующие требования:
1. Экономичность, простота, безопасность эксперимента.
2. Наличие алгоритмов моделирования.
3. Соответствие модели по структуре, устройству, назначению целям моделирования.
Все модели в принципе делят на мысленные и материальные. Последние создаются на основе первых. Мысленные модели в свою очередь разделяют на
образные, математические, физические.
2.
Способы исследования процессов.
Существуют два способа изучения процессов (объектов): теоретический и экспериментальный. Теоретический способ в качестве инструмента исследования
подразумевает использование уравнений математической физики. Система
дифференциальных уравнений является математической моделью целого класса процессов (явлений). Интегрирование дифференциальных. уравнений приводит к бесчисленному множеству решений. Частное решение в большинстве
практических случаев в расчётах процессов с сырьём растительного и животного происхождения не представляется возможным, в то время как это решение
и требуется исследователю, инженеру для практического конструирования аппаратов, машин. Причины: число неизвестных изменяющихся параметров превышает число уравнений связи. Кроме того, зачастую, неизвестны условия однозначности, краевые условия.
Таким образом, достоинством теоретического метода состоит в том, что
уравнения (математическая модель) охватывают весь класс процессов одной
физической природы. Недостаток - невозможность частного решения уравнений для практической деятельности. В этом случае прибегают к практическому
методу изучения процессов (объектов) в виде эксперимента.
Достоинство практического метода исследования состоит в достоверности
и точности результатов эксперимента. Недостаток – в ограниченной ценности
12
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 13 из 80
«___»_____2014г.
результатов опытов, в невозможности распространения результатов единичных
опытов на подобные процессы (явления). Эксперимент включает в себя множество опытов, с ростом числа которых возрастает его точность.
3.Сущность теории подобия.
Таким образом, теоретический и экспериментальный методы, каждый в отдельности, не могут быть использованы для решения практических инженерных задач. Оба метода объединяют, используя их сильные стороны, и получают универсальный метод для изучения различных процессов. Это объединение и есть
теория подобия.
Теория подобия – учение о методах научного обобщения данных единичных опытов. С другой стороны, теория подобия – это научная система, включающая теоретический и экспериментальный методы исследования процессов
(явлений).
Данные единичных опытов невозможно распространить на целый класс
процессов (явлений), так как внутри любого класса имеются процессы (явления), весьма непохожие один на другой. Так массоперенос в стене здания значительно отличается от массопереноса в движущейся жидкости, хотя эти процессы принадлежат к одному и тому же классу. Поэтому в теории подобия вводится понятие группы процессов (явлений). Всякое ограничение класса может
быть достигнуто заданием условия однозначности в форме математической зависимости. Непосредственное задание условий однозначности в виде числовых
значений отдельных величин приводит к сужению группы до единичного процесса (явления).
Существуют кинематическое, динамическое, тепловое, диффузионное и некоторые другие виды подобия. Так как физические величины изменяются во
времени и пространстве, то существует также временное подобие и подобие
полей физических величин. Подобные поля физических величин наблюдаются
только в геометрически подобных аппаратах (системах). Поэтому необходимой
предпосылкой физического подобия является геометрическое подобие аппаратов. Следовательно, алгоритм полного физического подобия следующий:
1. Геометрическое подобие.
2. Кинематическое подобие
3.Динамическое подобие – Полное подобие.
Теория подобия содержит три основных теоремы подобия, каждая из которых
отвечает на конкретный практический вопрос, стоящий перед исследователем
(инженером).
1. Какие процессы (явления) следует считать подобными между собой?
2. В какой форме следует представлять количественные результаты опытов?
3. На какие промышленные аппараты (машины) можно распространить результаты модельных опытов?
4. Теоремы подобия.
Первая теорема подобия (Теорема Ньютона).
Отвечает на первый практический вопрос. Формулировка:
13
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 14 из 80
«___»_____2014г.
«Подобными следует считать такие процессы (явления), которые имеют
численно равные между собой критерии подобия» Или иначе:
«У подобных процессов (явлений) индикаторы подобия равны единице» (По
Кирпичёву).
Рассматривают натуральный и модельный объекты, в которых происходит
механическое движение систем тел, например, процесс дробления в большой и
малой дробилках. Записывают второй закон Ньютона для механического
движения в оригинале (1) и модели (2). Имеем:
m  du2
m1  du1
и
;
(1)
P2  2
d 1
d 2
где P1 , P2 - силы, действующие в системах, Н;
m1, m2 – массы тел в системах, кг;
du1 / d1, du2 / d2 – ускорения в системах, м/с2.
Делим правую часть каждого уравнения на левую, символы дифференцирования вычёркиваем и получаем:
P1 
P1   1 P2   2
;

m1  u m2  u 2
(2)
P1   1
P2   2
и
представляют собой безразмерные комплексы
m1  u
m2  u 2
- критерии подобия Ньютона. Имеем:
Выражения
Ne1 = Ne2 ;
(3)
Из чего следует, что первая теорема доказана.
Критерий Ньютона (Ne) является главным критерием механического и гидромеханического подобия и характеризует отношение активного импульса силы
к инерционному количеству движения. Из общего критерия Ne получены
частные критерии гидромеханического подобия.
Вторая теорема подобия (Теорема Федермана - Бэкингема).
Отвечает на второй практический вопрос. Формулировка второй теоремы подобия:
«Количественные результаты опытов надо представлять в виде
критериальных уравнений данного процесса».
Все природные и искусственные процессы протекают по законам логарифмов, геометрических прогрессий, теории вероятности. Для процессов пищевой
промышленности в основном характерна логарифмическая зависимость протекания процессов. (данная зависимость подтверждается в результате интегрирования дифференциальных уравнений процессов в общем виде).
Вторая теорема подобия математически выражается:
14
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 15 из 80
«___»_____2014г.
- в неявной форме
К = ƒ (К1, К2, К3, .. Кi);
(4)
К - главный критерий подобия, характеризующий данный процесс в целом.
К1, К2, К3, .. Кi - частные критерии, характеризующие отдельные качественные
стороны процесса.
- в явной форме
К = А ·Кm1, · Кn2, · Кp3,… · Кqi;
(5)
А - числовой коэффициент,
m, n, p, q - степенные показатели.
Значения величин А, m, n, p, q зависят от интенсивности (режима) движения
потоков в системе. Режим движения определяется критерием К1.
Третья теорема подобия (Теорема Кирпичёва - Гухмана). Отвечает на второй
практический вопрос.
«Процессы (явления) подобны между собой, если они описываются одной и
той же системой дифференциальных уравнений и имеют подобные условия однозначности».
Таким образом, результаты эксперимента можно распространить на такие промышленные аппараты, машины, протекающие процессы в которых характеризуются теми же дифференциальными уравнениями, что и модельные.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое теория подобия? Какие вопросы решаются методом моделирования? Преимущества метода моделирования.
2. Какие процессы являются подобными? Как записывается функциональная
зависимость между переменными для двух подобных процессов? Какие условия необходимы, чтобы найти и выдержать для соблюдения подобия?
3. Какие теоремы встречаются в теории подобия и какие практические вопросы
решаются при помощи этих теорем?
4. Что такое множители преобразования? Чему должен равняться комплекс из
произведений множителей преобразования и почему?
5. Что такое критерии подобия? Как они получаются из исходных уравнений, и
как проверяется правильность их составления?
6. Какие критерии подобия имеют преимущественное значение в курсе, что они
характеризуют?
7. Сущность теоремы подобия? Что дает общее правило определения числа
критериев?
8. В чем сущность теоремы Федермана-Бэкингема? Как производится обработка экспериментальных данных в форме степенных уравнений?
15
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 16 из 80
«___»_____2014г.
9. На основании какой теоремы устанавливается подобие и обеспечивается моделирование? Как она формируется и в чем её сущность?
10. Что включается в условия однозначности и почему критерии подобия следует выводить не только из основного физического уравнения, но и из уравнения условий однозначности?
11. Как осуществляется приближенное моделирование и на основании каких
соображений выбираются масштабы моделей?
12. Какие и в каких расчетах применяются важнейшие критерии подобия? Приведите примеры.
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 4. Основы гидравлики. Физические свойства жидкостей. Основы
гидростатики. Основы гидродинамики.
План лекции:
1. Законы движения жидкости;
2. Основы расчёта трубопроводов
План лекции:
1. Физические свойства жидкостей.
2. Основы гидростатики.
1.1. Физические свойства жидкостей.
Жидкость – сплошная непрерывная среда, характерные основные свойства
которой - текучесть и практическая несжимаемость (строго говоря, жидкости
в очень малой степени сжимаемы).
Текучесть – неспособность жидкости самостоятельно сохранять свою форму
при сохранении объёма. Или иначе, текучесть - способность жидкости перемещаться под действием сколь угодно малых сил. Несжимаемость – свойство
жидкости практически не изменять свой объём под действием внешних сил.
Основные физические свойства жидкостей: плотность (), удельный вес (γ),
температурное расширение, сжимаемость, вязкость, поверхностное натяжение,
испаряемость и другие.
Плотность жидкости (кг/м3):
m
( 1)
 ;
V
Удельный вес жидкости (н/м3):
16
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 17 из 80
«___»_____2014г.
 
При этом:
G
;
V
  g
(2 )
(3)
Коэффициент температурного расширения (1/0С):
V 1
t 

V t
Коэффициент объёмного сжатия (1/Па):
p  
V 1

V p
(4)
(5)
Вязкость - свойство жидкости сопротивляться сдвигу между слоями потока.
Вполне очевидно, что в состоянии покоя вязкость жидкости не проявляется.
Вязкость жидкости, при увеличении ее температуры уменьшается. Зависимость от давления незначительная.
Вязкость жидкости оценивается двумя коэффициентами: кинематическим коэффициентом (ν) и динамическим коэффициентом (μ, Пас) вязкости. Формула
связи между коэффициентами:
  ;
(6)
Вязкость непосредственно связана с силами трения, возникающими при движении жидкости. Единичная сила трения (Θ) между слоями движущейся жидкости (напряжение силы трения) определяется по формуле Ньютона:
Θ = -  (du / dу);
(7)
где (du / dу) – градиент скорости в поперечном направлении оси трубы (потока).
Полная сила трения (Ртр) в потоке определяется по формуле Петрова:
Ртр =  (du / dу)F;
(8 )
2. Основы гидростатики.
Гидростатика – раздел гидравлики, изучающий закон равновесия покоящейся
жидкости. В покоящейся жидкости действуют два рода сил: силы внешнего
давления (поверхностные силы) и массовые (объёмные)силы. Рассматриваемый объём жидкости находится в равновесии при условии, что действие внешних сил давления уравновешивается силами реакции массы жидкости. Практи17
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 18 из 80
«___»_____2014г.
ческие задачи гидростатики состоят в расчёте давления и сил давления на стенки различных резервуаров с какими-либо жидкими средами, применяемыми в
пищевой, мясной, молочной промышленности.
Основное уравнение гидростатики, определяющее избыточное давление(dр) в любой точке покоящейся жидкости имеет вид:
dр =   (Xdx + Ydy + Zdz);
( 9)
где X, Y, Z – проекции единичной массовой силы на оси (координатные массовые силы) в Н/кг;
dx, dy, dz – координаты рассматриваемой точки.
Для всех точек, лежащих на какой-либо поверхности жидкости с постоянным
давлением dр =0, характерно так называемое уравнение поверхности равного
давления:
Xdx + Ydy + Zdz = 0;
(10 )
Основное уравнение гидростатики для жидкости, находящейся в неподвижном
сосуде (резервуаре) приведено к форме закона Паскаля:
p = p0 + gh ;
(11)
где p – избыточное давление в рассматриваемой точке жидкости, Па;
p0 – внешнее давление на поверхности жидкости, которое может быть нормальным атмосферным, выше атмосферного, ниже атмосферного (вакуумметрическим), Па;
h - глубина погружения данной точки, м.
Сила давления жидкости на стенку Р,(Н) :
Р = рF
(12 )
где F – площадь данной стенки, м2.
Вопросы для самоконтроля
1. Какова взаимосвязь между плотностью и удельным весом жидкости? Укажите их размерность. 2. Что характеризует коэффициент температурного расширения? 3. Что подразумевают под понятием сжимаемость жидкости? Что такое
модуль упругости жидкости? 4. Что такое вязкость жидкости? 5. Как зависит
вязкость жидкости от температуры и давления? 6. Как связаны между собой
динамический и кинематический коэффициенты вязкости? 7. В чем заключается физический смысл коэффициента динамической вязкости? 8. Что такое
«идеальная» жидкость, ее свойства? В каких случаях, в практических расчетах,
жидкость можно считать идеальной?
18
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 19 из 80
«___»_____2014г.
9. Запишите основное уравнение гидростатики? 10. Что называется абсолютным давлением, манометрическим давлением, вакуумом? 11. Какова взаимосвязь между этими видами давлений? 12. Как определить силу давления жидкости на плоскую поверхность давления или вакуума? 13. Что такое поверхность
равного давления (поверхность уровня). Основное уравнение поверхности
уровня? 14. Какую форму принимают поверхности уровня и их уравнения при
абсолютном покое жидкости, в случае прямолинейного движения сосуда с
жидкостью с положительным и отрицательным ускорением, при вращении сосуда с жидкостью вокруг вертикальной и горизонтальной оси с постоянной угловой скоростью? 15. Как формулируется закон Паскаля и какова его связь с
основным уравнением гидростатики?
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
1. Законы движения жидкости.
В движущейся жидкости дополнительно к статическим силам добавляются
собственно динамические силы – силы инерции и силы трения. Таким образом,
в потоке жидкости действует четыре рода сил: силы внешнего давления, силы
массовые, силы инерции, силы трения. Первоначально движение потока жидкости может быть неравновесным, но в дальнейшем в большинстве практических
инженерных задач движение переходит в равновесное. Для такого движения
справедливо следующая система уравнений равновесия:
X – (1/ρ)·(δp/δx) – Ix+ Nx = 0;
Y – (1/ρ)·(δp/δy) – Iy+ Ny = 0;
Z – 1/ρ)·(δp/δy) – Iz+ Nz = 0;
(13)
где X, Y, Z – координатные массовые силы, в Н/кг;
(1/ρ)·(δp/δx); 1/ρ)·(δp/δy); (1/ρ)·(δp/δy) – единичные координатные силы
внешнего давления;
Ix , Iy , Iz - единичные координатные силы инерции;
Nx, Ny, Nz – единичные координатные силы трения;
Практические задачи по расчёту трубопроводов с жидкими средами включают
в себя:
- расчёт диаметра трубопровода, d (м);
- расчёт расхода проходящей жидкости, Vс (м3/с):
- расчёт средней скорости движения жидкости, w (м/с);
19
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 20 из 80
«___»_____2014г.
- расчёт потерь напора в трубопроводе h1-2 (м) .
Для решения данных задач применяют законы сохранения массы и энергии в
системе. Закон сохранения массы для потока жидкости имеет форму уравнения
постоянства расхода, а закон сохранения энергии – форму уравнения Бернулли.
Уравнение постоянства расхода жидкости (уравнение неразрывности) для
трубопровода переменного сечения выражается:
Vс = w1  F1 = w2  F2 = w3  F3 = …. = wп  Fп = const.
(14 )
Из уравнения неразрывности определяем интересующие нас параметры движения жидкости:
Находят внутренний диаметр трубопровода:
d = √ (4 Vc /w );
(15 )
Определяют расход жидкости в трубопроводе ( м3/с), зная диаметр (d) трубопровода и среднюю рекомендуемую скорость (w) жидкости
Vc = w ( d2/4);
(16)
Рассчитывают среднюю скорость
w = 4·Vc / ( d2)
(17)
Уравнение Бернулли:
z1 + (p1/  g) + (w1 2/ 2g) = z2 + (p2/  g) + ( w22/ 2g ) + h1-2; ( 18 )
где z1 , z2 - геометрические напоры в первом и во втором сечениях, м;
(p1/  g), (p2/  g) - пьезометрические напоры в тех же сечениях, м;
(w1 2/ 2g), ( w22/ 2g ) – скоростные напоры в данных сечениях, м;
h1-2; - потери напора (потери энергии), м.
Основная цель решения уравнения Бернулли – определение потерь напора потока жидкости, которые складываются из потерь по длине и потерь на местных
сопротивлениях.
Потери напора по длине трубопровода:
hL =   ( L / d )  w2 / 2g ;
( 19 )
где  - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси);
L – длина трубопровода, м.
Потери напора на местных гидравлических сопротивлениях определяют по
формуле у Вейсбаха (при наличии одного сопротивления):
20
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 21 из 80
«___»_____2014г.


h     w2 2 g
(20 )
где ξ – коэффициент местного сопротивления.
Значения  и ξ зависят, в частности, от режима движения жидкости, который
определяется по величине критерия Рейнольдса:
Re  (w  d  ) 
(21 )
Существуют два принципиально различных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.
Для ламинарного режима
0 < Re ≤ 2300;
( 22 )
Для турбулентного режима
Re ≥ 4000;
( 23 )
Рассчитывают коэффициент гидравлического трения в зависимости от области
гидравлического трения. Для технически гладких труб
-для ламинарного режима (1 область):
 = 64/Re
- для турбулентного режима (2 и 3-я области):
4000 < Re < (10 d) / Δ
 = 0,3164/Re0,25
(24)
( 25)
( 26)
где Δ э – средняя эквивалентная шероховатость труб в мм.
Для гидравлически шероховатых труб из углеродистой стали значения
коэффициента Дарси () определяют в зависимости от области гидравлического
трения в шероховатых трубах. В свою очередь, данная область находится по
следующим пределам чисел Рейнольдса:
для турбулентного режима (4-ая область):
(10 d) / Δ э < Re < (500 d) / Δ э
 = 0,11·{(68 /Re) + ( Δ э / d) }0,25
(27 )
( 28)
для турбулентного режима (5-ая область):
21
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 22 из 80
«___»_____2014г.
(500 d) / Δ э < Re;
( 29)
 = 0,11·( Δ э / d) 0,25
(30)
2. Основы расчёта трубопроводов.
Задачи расчёта трубопроводов изложены выше. В качестве базового используют уравнение простого трубопровода, полученное методом преобразования
уравнения Бернулли. Простым называют такой трубопровод, который не имеет
ни одного ответвления.
Уравнение простого трубопровода имеет вид:
Нт = Δ z + hL + hм
( 31)
где Δ z – разность высот между начальным и конечным сечениями трубопровода, м;
Нт - необходимый (потребный) напор трубопровода для транспортировки
заданного количества жидкости с определённой скоростью.
В производстве зачастую применяют последовательное и параллельное
соединения трубопроводов,
формулу расхода для последовательного соединения двух простых трубопроводов:
Vc = Vc1 = Vc2 = ….= Vcп = const.
( 32)
При это потери напора выразятся:
h = h1 + h2 + ….+ hп
(33 )
При параллельном соединении трубопроводов:
Vc = Vc1 + Vc2 + ….+ Vcп
34)
h = h1 + h2 + ….+ hп;
( 35)
Для любого трубопровода сопротивление (А) при турбулентном режиме обратно пропорционально d5 , при ламинарном режиме - обратно пропорционально d4.
Трубопровод, в котором потери на местных сопротивлениях составляют менее
15% от потерь по длине, называют длинным. В таком трубопроводе местные
потери отдельно не рассчитываются, а учитываются коэффициентом 1,15.
Потери напора при ламинарном режиме:
hl = (128l Vc) / g d4
36
Потери напора при турбулентном режиме:
22
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 23 из 80
«___»_____2014г.
hl = (8 l Vc2) / 2g d5
 37
Потери напора на местных гидравлических сопротивлениях в коротких трубопроводах:
hм = ξ( w 2/(2g),
( 38)
Численные значения коэффициентов местных гидравлических сопротивлений,
используя справочные пособия по гидравлике, в зависимости от типа гидросопротивлений (задвижки, вентили, гидравлические «колена»): ξ1, ξ2,…., ξj.
Если местных сопротивлений несколько и они соединены последовательно, то
их суммируют:
hм = hм1+ hм2+ hм3+…+ hмji
(39)
Определяют суммарные потери напора по длине и на местных гидравлических
сопротивлениях.
ΔH = hl + hм.
.
(40)
Рассчитывают необходимый (потребный) напор насосной установки, используя расчетное уравнение простого трубопровода:
Нн = Δ Z + ΔH.
(41)
где Δ Z – суммарный геометрический напор (полная геометрическая высота
подъема жидкости).
Определяют избыточное давление, создаваемое насосной установкой в Па.
Δ р = ρ · g· Hп
(42)
Рассчитывают полезную мощность насоса в Вт.
N п = ρ·g·Hп·Vс
(43)
Рассчитывают полную мощность насоса в Вт.
N=Nп/η
(44)
где η – полный рабочий КПД насосной установки, принимаемый в диапазоне:
0,68 – 0,80.
23
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 24 из 80
«___»_____2014г.
На основании полученных числовых значений Нн, Δ р, N и характера жидкой
среды выбирают насос, используя справочное пособие..
Определяют фактический рабочий КПД насосной установки, зная табличное
значение располагаемой мощности Nр.
ηф = N п / Nр
( 45)
Значение рабочего КПД должно находиться в пределах 0,65 – 0,85.
Вопросы для самоконтроля.
1. Назовите основные параметры потока, их краткая характеристика. 2. Какова
взаимосвязь между средней скоростью и живым сечением потока? 3. Что называют расходом жидкости? Взаимосвязь между объемным, весовым и массовым
расходами? 4. Запишите уравнение Бернулли для элементарной струйки идеальной и реальной жидкости для потока жидкости. 5. Какова взаимосвязь между средней скоростью и живым сечением потока? 6. Каков геометрический и
энергетический смысл слагаемых, входящих в уравнение Бернулли, их размерность? 7. От каких характеристик потока зависит режим движения жидкости?
8 .В чем отличие ламинарного течения жидкости от турбулентного? 9. Каким
образом можно оценить режим движения? 10.При каких условиях происходит
переход от ламинарного течения к турбулентному? 11.. Каковы причины возникновения потерь напора при движении вязкой жидкости? 12. Дайте определение понятию «гидравлические потери напора». 13. Объясните физический
смысл критерия Рейнольдса. 14. Какие уравнения применяют при расчете
напорных трубопроводов? 15. Какие трубопроводы называют короткими, а какие длинными? В чем заключаются особенности расчета таких трубопроводов?
16. Назовите основные задачи, встречающиеся при расчете трубопровода.
17.Изложите методику решения типовых задач при расчете простого трубопровода. 18. Приведите полную классификацию насосов, их специфические особенности и область применения. 19.В чем заключается принцип действия лопастных и объемных насосов? 20. Назовите основные параметры насосов. Их
краткая характеристика. 21.Как определить напор насоса по показаниям приборов и по элементам насосной установки? 22. Как определить полезную и полную мощность насоса?
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
24
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 25 из 80
«___»_____2014г.
Лекция 6. Механические процессы.
План лекции:
1. Дробление.
2. Сортирование.
3. Прессование.
1. Дробление.
Механические процессы в большинстве случаев являются подготовительными
процессами обработки сырья или полуфабрикатов.
Дробление (измельчение) - процесс измельчения твёрдого кускового материала
без правильного формообразования. Дробление происходит при условии, что
внешняя сила воздействия на материал превосходит силу сопротивления структуры материала.
Движущая сила дробления – разность напряжений (Δσ): внешнего (σ1) и сопротивления (σ2) (предел прочности):
Δσ = σ1 - σ2 ;
(1)
Способы дробления:
1. При помощи удара,
2. При помощи раскалывания.
3. При помощи раздавливания.
4. При помощи истирания.
5. При помощи разрыва.
6. При помощи изгиба.
Измельчение (дробление) характеризуется параметром «степень дробления»
(i):
i = D / d;
(2)
где D - средний размер куска материала до дробления;
d - средний размер куска материала после дробления.
При дроблении затрачивается механическая работа (А) в Дж:
А = АП + АБ:
(3 )
где АП - затрачиваемая полезная работа, Дж;
АБ - затрачиваемая бесполезная работа, Дж.
АП = (σ2 · ΔV / 2· E) + HF · ΔF
(4)
где ΔV - приращение объёма;
E - модуль упругости;
HF – постоянная для данного материала;
ΔF – приращение площади новой поверхности.
25
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 26 из 80
«___»_____2014г.
Для измельчения используют след дробильные машины – дробилки.
Рис. 1 Схема шаровой мельницы.
Рис. 2 Схема молотковой дробилки
Рис. 3 Конусная дробилка.
26
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 27 из 80
«___»_____2014г.
Рис. 4 Щековая дробилка.
2. Сортирование.
Сортирование (классификация) – процесс разделения сырья, полуфабрикатов,
готовой продукции на отдельные фракции по определённым качественным
признакам: по крупности, по форме, по физическим свойствам, по пищевкусовым свойствам.
Сортированию подвергают, например, туши и полутуши к.р.с. и м.р.с. в
мясной промышленности: готовую консервную и колбасную мясную продукцию; в молочной промышленности: молоко, масло, сметану; в зернопереработке: зерно злаковых культур – пшеницу, рожь, ячмень и другие. В зерновой
промышленности с этой целью используют ситовые машины различных конструкций.
3. Прессование.
Прессование - процесс обработки пищевого сырья, полуфабрикатов, готовой
продукции силой избыточного давления в специальных машинах (прессах).
При прессовании внешняя сила давления должна быть больше, чем сила сопротивления
Основные технологические цели прессования:
1. Отжатие жидкости из материала. В этом случае жидкость представляет собой большую ценность, нежели сухой остаток. Например, получение растительных масел, соков фруктов и плодов.
2. Отжатие влаги из материала с целью его подсушивания. При этом материал
более ценен, чем остаточная влага. Например, центрифугирование сахара,
крахмала и других продуктов.
3. Формование пластично-вязкого материала в упаковку для подготовки готовой продукции к реализации. Например, формовка, расфасовка и упаковка масла, творога, мороженого и других продуктов.
4. Прессование пластично-вязкого сырья в оболочки. Например, шприцевание
колбас в синтетические и куттизиновые оболочки.
27
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 28 из 80
«___»_____2014г.
5. Прессование сыпучих продуктов и полуфабрикатов с приданием им правильной формы – гранулирование. Гранулированию подвергают комбикорма, костную муку, чай, сахар и другие продукты. Данный процесс осуществляют в
специальных машинах – прессах-грануляторах.
Основной технологической задачей при расчёте прессования в принципе
является определение необходимого давления прессования, скорости процесса
и производительности прессующей машины. В каждом конкретном случае, несмотря на общие физические закономерности прессования, эти расчёты специфичны по причинам разнообразия растительного, животного сырья, готовой
продукции и конструктивной схемы прессующей машины. Избыточное давление прессования, толщину слоя материала, скорость процесса определяют эмпирически, экспериментально.
Собственно прессование, шприцевание, формование, брикетирование, гранулирование производят в машинах различных конструкциях.
Производительность прессующей машины Мч в кг/ч определится:
Мч = 3600 ·ρ ·Vс
(5)
Объёмная секундная производительность прессующей машины Vс в
м3 / с:
Vс = u · F
(6)
где u - средняя скорость процесса прессования, м/с;
F –площадь прессования в рабочей камере, м2.
Сила давления в прессующей машине Р (Н):
Р=р·F
(7)
где р – избыточное давление в рабочей камере прессующей машины, Па.
Вопросы для самопроверки.
1. Для чего и при помощи каких способов осуществляется измельчение твердых
тел? Что такое степень дробления, и каковы размеры кусков, поступающих на
дробление?
2. Сущность теории дробления. Закон Кирпичева и уравнение Ребиндера. Из
каких частей складывается работа, затрачиваемая на измельчение?
3.. Какие требования предъявляются к дробилкам? Классификация методов измельчения и дробильных машин.
4. Дробилки, применяемые для среднего измельчения. Теория работы, устройство и расчетные формулы для определения размеров и расхода мощности.
5. Дробилки, применяемые для крупного измельчения. Теория работы, устройство и расчетные формулы для определения размеров и расхода мощности.
28
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 29 из 80
«___»_____2014г.
6. Дробилки, применяемые для тонкого измельчения. Теория работы, устройство и расчетные формулы для определения размеров и расхода мощности.
7. Сущность просеивания. Сита, их характеристика и способы изготовления.
8. Основы теории ситового анализа. Как математически и графически выражаются результаты ситового анализа и КПД сит?
9. По каким признакам осуществляется классификация машин для просеивания? Как определяется число колебаний плоских и вращающихся сит для их
нормальной работы?
10. Цели, преследуемые при обработке материалов давлением. Сформулируйте
основы теории обработки материалов давлением.
11. Классификация машин для обработки пищевых материалов давлением.
Опишите устройство наиболее распространенных прессов, определение их
производительности.
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 7. Гидромеханические процессы.
План лекции:
1. Перемешивание.
2. Осаждение.
3. Фильтрование.
1. Перемешивание.
Перемешивание - процесс приведения в тесное соприкосновение сыпучих,
жидких и газообразных сред. Перемешивание производят с целью создания
однородной по распределению компонентов в массе материала. Процесс осуществляют для образования эмульсий, суспензий, пластично-вязких и сыпучих
смесей.
Преимущественно используют перемешивание жидких и пластично-вязких
систем.
Применяют следующие основные способы перемешивания:
1. Механическое перемешивание при помощи мешалок.
2. Пневматическое перемешивание – барботаж – путём подачи газа или пара в
жидкую среду.
3. Поточное перемешивание под избыточным давлением насосов и с использованием установленных в потоке неподвижных турбулизирующих устройств.
4. Вибрационное перемешивание с использованием механизмов, создающих
гармонические колебания.
29
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 30 из 80
«___»_____2014г.
5. Комбинированное перемешивание с использованием вибрационного и механического видов перемешивания одновременно.
Наиболее распространённым является механическое перемешивание
жидких и пластично-вязких сред (материалов).
Механическое перемешивание осуществляют в перемешивающих устройствах,
называемых мешалками. Конструктивно мешалки разделяют на три группы:
плосколопастные, винтовые (пропеллерные), турбинные.
Выбор типа (группы) мешалки зависит от природы и вязкости перемешиваемой
жидкой системы. Диапазоны применения мешалок следующие:
0,1 <  ≤ 6 Пас плосколопастные мешалки.
6 <  ≤ 50 Пас - винтовые мешалки.
50 <  ≤ 500 Пас - турбинные мешалки.
Основной инженерной задачей при расчёте процесса перемешивания является
расчёт мощности. Расход мощности N (Вт) определяется следующей зависимостью:
N = f (, ρ, n, d)
(1 )
n – число оборотов мешалки, с-1 ;
d – диаметр лопастей мешалки, м.
Используя метод анализа размерностей величин, входящих в зависимость ( ),
получают уравнение вида:
  nd 2 
N



C


  n 3  d 5


x
( 2)
где левая часть уравнения представляет собой критерий Эйлера для перемешивания:
N
(3)
  n3  d 5
Правая часть является модифицированным критерием Рейнольдса для перемешивания:
 nd 2
Re 
EuM 

Получают критериальное уравнение Эйлера для перемешивания:
Euм = C· Reм к ;
30
(4 )
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 31 из 80
«___»_____2014г.
Критериальное уравнение Эйлера применяют для расчёта мощности в рабочий
период перемешивания (N ):
N = Euм· ρ· n3· d5 ;
(5 )
В пусковой период затраты мощности будут выше по причине действия сил
инерции. Пусковая мощность Nпуск выразится в зависимости от типа мешалки:
- для плосколопастных:
Nпуск = 1,5 · N ;
- для винтовых:
Nпуск = 1,2 · N ;
- для турбинных:
Nпуск = 1,1 · N .
2. Осаждение.
Осаждение - процесс разделения неоднородной жидкой системы (НЖС) на
твёрдую фазу - осадок и жидкую осветленную фазу - декантат или фугат.
Осаждение разделяется на два вида: осаждение под действием силы тяжести
(отстаивание) и осаждение под действием центробежной силы (центрифугирование и сепарирование).
Отстаивание производят в аппаратах, называемых отстойниками, которые
представляют собой резервуары цилиндрическо-конического типа. По периодичности работы данные аппараты классифицируют на отстойники:
- периодического действия;
- полунепрерывного действия;
- непрерывного действия.
Последний тип аппаратов является наиболее эффективным с технической и
экономической сторон.
Теория расчётов процессов осаждения базируется на уравнении Стокса, которое определяет скорость процесса осаждения (wос) дисперсной частицы в гравитационном поле в вязкой среде.
4  d  g   ч   с 
(6)
3    c
где d - средний диаметр оседающих частиц в суспензии, м;
ξ – коэффициент сопротивления среды:
ρч – плотность дисперсных частиц, кг/м3 ;
ρс – плотность суспензии, кг/м3 ;
Фактическая скорость осаждения в отстойниках wос будет ниже рассчитанной
по уравнению Стокса по причине взаимного стеснения множества частиц и
влияния на скорость формы частиц, которая в реальности отлична от сферической.
Фактическая скорость осаждения выразится:
wос 
wф ос = Кс·φ· wос ;
( 7)
31
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 32 из 80
«___»_____2014г.
где Кс - коэффициент, учитывающий концентрацию суспензии;
φ - коэффициент, учитывающий форму частиц.
Критериальное уравнение осаждения, полученное методом Лященко, имеет
вид:
Re2 · ξ = (4/3) · Ar ;
(8 )
где Ar - критерий Архимеда, характеризующий интенсивность процесса осаждения.
Критериальное уравнение осаждения используют для графо-аналитического
расчёта скорости осаждения wос. Зная скорость осаждения и требуемую производительность отстойника Vс, определяют площадь поверхности осаждения и
далее диаметр и все остальные габаритные размеры отстойника.
F = Vс / wос ;
( 9)
Осаждение в центробежном поле значительно эффективнее обычного отстаивания. Центробежное ускорение ац значительно больше ускорения силы тяжести,
что является причиной большой скорости центрифугирования (сепарирования)
по сравнению с отстаиванием.
Рис. 2 Схема центрифуги
Интенсивность центрифугирования и сепарирования характеризуется критерием Фруда - Fr:
2 R
Fr 
;
(10)
g
где ω – угловая скорость вращения барабана центрифуги, с-1 ;
R - внутренний радиус барабана, м.
Скорость центрифугирования (сепарирования) определяют, зная скорость отстаивания и критерий Фруда:
wцф = wос · Fr;
(11 )
Конструктивная схема отстойно-осадительной центрифуги приведена на рисунке ниже:
32
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 33 из 80
«___»_____2014г.
Рис. 3 Схема центрифуги с ножевым снятием осадка.
3. Фильтрование.
Фильтрование - процесс разделения неоднородной жидкой системы
(НЖС) на твёрдую фазу - осадок и жидкую осветленную фазу - фильтрат. Процесс применяют во всех отраслях пищевой промышленности с целью очистки,
осветления жидких продуктов, систем.
Промышленная фильтрация сводится к трём основным видам:
1. Разделение суспензий. В этом процессе происходит фильтрование с образованием значительного слоя осадка. Концентрация твёрдых частиц в суспензии
yж = 1 – 10 %.
2. Сгущение суспензий, yж = 0,1 – 1,0 %.
3. Осветление растворов от загрязняющих их тонких частиц твёрдой фазы.
Процесс фильтрования делят две групп:
1. Фильтрование с образованием осадка.
2. Фильтрование без образования осадка - закупорочное фильтрование.
Фильтрование с образованием осадка характерно для маловязких суспензий со значительным количеством взвесей. Движущая сила:
Δp = p1 – p2
(12)
где Δp – разность давлений – движущая мила фильтрования, Па;
p1 - внешнее давление перед фильтром, Па;
p2 - давление после фильтра, Па.
Расход фильтруемой суспензии Vс , м3 / с позволяет определить скорость процесса uф :
33
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 34 из 80
«___»_____2014г.
uф 
Vc
V

F F 
(13 )
В капиллярах осадка движение жидкости ламинарное, поэтому справедливо
уравнение Пуазейля, определяющее в данном случае скорость движения жидкой фазы в капилляре uк :
uк 
p  d 2
32    l
( 14)
d - диаметр капилляра, м;
μ – динамический коэффициент вязкости, Па·с;
l - длина капилляра, м.
Знаменский получил уравнение, определяющее скорость процесса фильтрования:
p
(15)
uф 
  s
σ – структурное сопротивление слоя осадка, м-2 ;
s - толщина слоя осадка, м;
В редких случаях необходимо учитывать сопротивление
уравнение Знаменского примет вид:
uф 
p
  s  R
фильтра R, тогда
(16)
Уравнения (15 ) и ( 16) получены Знаменским для так называемых несжимаемых осадков. Строго говоря, все осадки являются деформируемыми - сжимаемыми. В пищевой промышленности большинство осадков фильтруемых суспензий считают практически несжимаемыми. Для небольшого числа сжимаемых осадков:
p
)
G
uф 
;
 p 
 0   0  s 0  R  1  
G

p  (1 
(17)
G – модуль сжатия осадка, Н/м2 .
Имеется два режима фильтрования: при постоянной скорости и при постоянном давлении.
В промышленной фильтрации на первой стадии применяют режим
34
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 35 из 80
«___»_____2014г.
uф = const; на второй стадии используют режим Δp = const;
Фильтрующие аппараты по принципу работы классифицируют на две группы:
- работающие под избыточным давлением;
- работающие под вакуумным давлением;
Конструктивно фильтрационные аппараты непрерывного действия следующие:
барабанные, дисковые, ленточные, нутч-фильтры, фильтр-прессы.
Более эффективными по сравнению фильтрационными аппаратами линейного
действия являются фильтрующие центрифуги, которые разделяют на две группы: периодического действия и непрерывного действия.
Конструктивные схемы основных фильтрационных аппаратов показаны на рисунках ниже:
Рис. 5
Вакуумный фильтр.
Рис. 6 Рамный фильтр – пресс.
На рис. 7 показана конструктивная схема вертикальной фильтрующей центрифуги.
35
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 36 из 80
«___»_____2014г.
Рис.7 Фильтрующая центрифуга непрерывного действия.
Вопросы для самопроверки.
1. Сущность и классификация процессов перемешивания. Способы перемешивания в жидкой среде. Механические мешалки. Основа их работы и устройство.
2. Основные величины, от которых зависит потребная для работы мешалки
мощность. Как записывается общий вид критериального уравнения для расхода
энергии при перемешивании? Определение критерия Эйлера и Рейнольдса для
мешалок.
3. Определение мощности двигателей, приводящих в движение мешалку. Выбор мощности электродвигателей для различных типов мешалок.
4. Мешалки, применяемые для поточного и пневматического перемешивания.
Количество воздуха, расходуемое в зависимости от интенсивности перемешивания. Зависимость и определение расхода мощности при пневматическом перемешивании. Оценка эффективности перемешивания.
5. Неоднородные системы, разделяющиеся на составные части. Процессы, образующие неоднородные системы.
6. Из каких фаз состоит каждая неоднородная и как осуществляется классификация неоднородных систем по агрегатному состоянию и размеру частиц?
7. Методы разделения неоднородных систем. Сущность этих методов. Силовые
поля, под действием которых осуществляется относительное перемешивание
фаз неоднородных систем. Классификация методов разделения.
8 . Как составляются и пишутся материальные балансы процессов разделения и
как определяются параметры, характеризующие процессы фильтрования?
9. Что такое эффект разделения и как он определяется?
10. Сущность процесса фильтрования. Рабочий орган аппаратов для фильтрования. Чем создается перепад давления для преодоления сопротивления, возникающего при фильтровании?
11. Величина, которой характеризуется интенсивность фильтрования и определение производительности фильтрующих аппаратов. Режимы, при которых
может осуществляться процесс фильтрования. Определение скорости процесса
и факторы, от которых зависит скорость.
36
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 37 из 80
«___»_____2014г.
12. Почему введено понятие о мгновенной скорости фильтрования /течение
жидкости в капиллярах/.
13. Определение скорости фильтрования в зависимости от поперечных размеров капилляров фильтра, размеров частиц фильтра /осадка/ и пористости фильтра.
14. Что такое структурное сопротивление при фильтровании, как можно представить скорость фильтрования в зависимости от сопротивления фильтрования?
Чему равно структурное сопротивление и размерность его
15. Осадки, различаемые в теории фильтрации, их характеристика, факторы от
которых зависит сжимаемость осадков и как записывается структурное сопротивление сжимаемых осадков в зависимости от перепада давлений.
16. Определение скорости фильтрования в зависимости от размеров частиц
фильтра.
17. Определение скорости фильтрования в зависимости от пористости фильтра.
18. Определение сжимаемости осадка в зависимости от модуля упругости
фильтра.
19. Что такое удельное и полное сопротивление при фильтровании. Размерность удельного и полного сопротивления.
20. Сущность и значение фильтрования через многослойный фильтр. Приведите уравнение скорости фильтрования через многослойный фильтр.
21. Техника фильтрования при постоянном перепаде давлений. Определение
толщины осадка, объем осадка, время фильтрования. Физический смысл эквивалентной толщины слоёв осадка.
22. Осуществление процесса фильтрования с закупоркой пор. Определение
объема фильтрата, снимаемого с единицы поверхности фильтра за определённый отрезок времени.
23. Осуществление фильтрования при постоянной скорости. От чего в этом
случае зависит скорость фильтрования? Приведите вывод расчетных формул
процесса при постоянной скорости фильтрования. Достоинства и недостатки
этого метода фильтрования по сравнению с фильтрованием при постоянном перепаде давлений.
24. Материалы, применяемые для фильтрующих перегородок. Требования,
предъявляемые к ним, технико-экономическая оценка фильтрующих перегородок.
25. Осуществление промывания осадков фильтра, скорость и время промывки.
26. Осуществление движения изолированной твёрдой частицы в жидкой или газообразной среде. Силы, действующие на частицу. Виды движения частиц.
Определение силы сопротивления и от каких величин она зависит.
27. Сущность закона Ньютона и определение скорости осаждения на основе
его.
28. Сущность метода Лященко для случая осаждения частиц в гравитационном
поле. Определение первого и второго вида общего критериального уравнения
теории осаждения.
37
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 38 из 80
«___»_____2014г.
29. Значение критериальных чисел Рейнольдса для ламинарного турбулентного
и переходного режимов движения изолированной системы и определение её
при указанных режимах движения.
30. Конструкции отстойников периодического действия /привести эскизы /.
Определение их производительности и скорости осаждения. Область применения.
31. Отстойники полунепрерывного действия /привести эскизы/. Область их
применения и методика расчета.
32. Конструкции непрерывно-действующих отстойников /сделайте эскизы/.
Укажите достоинства и недостатки. Определение размеров отстойников
/диаметр, высота, число полок /
33. Принцип действия циклонов и аэроциклонов. Силы, действующие на частицы, находящиеся в циклоне. Определение скорости осаждения. От чего зависит
эффект разделения в аэроциклонах? Критерии, от которых зависит эффект разделения?
34. Что такое К.П.Д. циклона и какова его величина? Каким образом можно повысить эффект разделения циклона? Определение гидравлического сопротивления циклона.
35. Метод, применяемый для расчета циклонов? Изложите методику расчета
циклонов.
36. Для чего применяются гидроциклоны? Для каких производственных процессов они являются перспективными? Их принцип действия. Определение
производительности циклона, максимальный размер частиц, уходящих со сливом, мощность, необходимая для работы,. Факторы, влияющие на эффект разделения .
37. В каких машинах для разделения жидких неоднородных систем используется центробежное поле? На какие классы делятся эти машины, чем они отличаются, принцип их работы? По каким признакам классифицируются центрифуги?
38. Определение центробежного давления в фильтрующих центрифугах. Из каких слагаемых состоит полный цикл работы? Как определяется производительность периодически действующих центрифуг? Типы и конструкции непрерывно-действующих центрифуг, работающих в промышленности, принцип их действия и определение их производительности.
39. Какие известны конструкции непрерывно-действующих осадительных центрифуг и принцип их работы? Для каких целей предназначены тарельчатые сепараторы, как они устроены и работают? Как определяется производительность
сепараторов, их преимущества и недостатки.
Рекомендуемая литература.
38
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 39 из 80
«___»_____2014г.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 7. Тепловые процессы Нагревание. Теплопередача в теплообменных аппаратах.
План лекции:
1. Цели тепловой обработки пищевого сырья.
2. Конструктивные схемы теплообменников.
3. Основы расчёта теплопередачи в трубчатых теплообменниках.
1. Цели тепловой обработки пищевого сырья.
В пищевых производствах повсеместно применяют тепловую обработку сырья, полуфабрикатов, готовой продукции. Тепловая обработка осуществляется
в теплообменных аппаратах и предполагает бактерицидное воздействие на
продукт с дальнейшим доведением его до пищевой готовности. Нагревание комплекс процессов обработки пищевых сырья, полуфабрикатов, продуктов
теплом. К нагреванию относят следующие частные процессы: варку, шпарку,
обжарку, пастеризацию, стерилизацию. Для проведения процессов тепловой
обработки используют различные греющие теплоносители: водяной насыщенный пар, горячую воду и некоторые другие среды. Важнейшее требование к
теплоносителям: высокое значение энтальпии. В большинстве случаев непосредственный контакт греющего теплоносителя и нагреваемого продукта недопустим, поэтому ними должна быть металлическая поверхность раздела.
Таким образом, теплообменный аппарат (теплообменник) принципиально состоит из двух камер (для нагреваемого продукта и греющего теплоносителя),
разделённых стальной стенкой. Конфигурация стенки зависит от конструкции
данного теплообменника и может быть цилиндрической, полусферической, эллиптической, плоской.
2. Конструктивные схемы теплообменников.
. Используют следующие основные конструктивные схемы теплообменников:
элементные, рубашечные, трубчатые, пластинчатые, змеевиковые некоторые
другие.
Используется классификация теплообменников по следующим признакам:
- по технологическому назначению;
- по цикличности работы;
- по виду греющего теплоносителя;
- по взаимному движению теплоносителей.
- по конструкции;
- по расположению поверхности нагрева.
39
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 40 из 80
«___»_____2014г.
Классическим примером поверхностного теплообменного аппарата является
трубчатый (кожухотрубный теплообменник), схема которого представлена на
рисунке ниже:
Рис. 5. Схема трубчатого теплообменника.
1.Корпус(кожух). 2.Трубная решётка. 3 Нагревательные трубки. 4 Патрубки:
А.- для отвода нагретой среды (продукта); В – для подвода греющего пара; С. для отвода конденсата; D – для подвода нагреваемой среды (продукта). 6.
Опорные лапы.
В производстве используют многоходовые трубчатые теплообменники, которые отличаются от одноходовых высокой интенсивностью теплопередачи,
большей производительностью и компактностью. В таких теплообменниках поток среды многократно циркулирует в контуре аппарата.
Наиболее эффективными и распространёнными в пищевой промышленности являются пластинчатые теплообменники. Поверхность теплопередачи в
них представляет собой плотно и компактно соединённые в пакет штампованные пластины. Через каждую пластину происходит процесс теплопередачи от
греющей среды к нагреваемому продукту. Пластинчатые теплообменники
применяют, в частности, для пастеризации молока, сливок, соков, различных
напитков и других жидких продуктов.
3. Основы расчёта трубчатых теплообменников.
Сущность проектного расчёта сводится к определению габаритных размеров
аппарата, тепловых нагрузок, затрат греющего теплоносителя, толщины слоя
изоляции, стоимостей энергоносителей, материалов, монтажа и эксплуатации.
3.1. Тепловая нагрузка аппарата непрерывного действия (Q) в кВт:
Q = Gc · c · (t2 – t1);
где Q - тепловая нагрузка аппарата в кВт;
40
(1)
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 41 из 80
«___»_____2014г.
с – средняя удельная теплоёмкость, кДж / кг· град;
t1 - начальная температура нагреваемой среды (продукта), 0С;
t2 - конечная температура нагреваемой среды (продукта), 0С .
3.2. Эта же тепловая нагрузка должна быть передана от греющего пара к
движущемуся продукту в трубках согласно основному уравнению теплопередачи:
Q = K· F · t ;
(2)
где K – коэффициент теплопередачи, Вт / м2·град
F – площадь поверхности теплопередачи, представляющая собой суммарную боковую площадь трубок в греющей камере, м2;
t – средняя логарифмическая разность температур между греющим парам и нагреваемым продуктом (жидкая или газообразная среда), 0С.
3.3. Имеем уравнение теплового баланса:
Q = Gc · c · (t2 – t1) = K· F · t ;
(3)
из которого определяем площадь поверхности теплопередачи:
Q
;
(4)
K  t
Зная величину F, рассчитывают число трубок в аппарате (n) и затем определяют все габаритные размеры теплообменника.
3.3. Из уравнения теплового баланса (8) рассчитывают также массовый расход греющего пара (D) в кг/с:
F
D
Q
i  i!
||
;
(5)
где i|| - энтальпия греющего пара в кДж/ кг;
i| - энтальпия конденсата в кДж/кг.
Величины i||, i| определяют по таблицам свойств насыщенного водяного пара в
зависимости от его давления (р) в МПа (ат).
Вопросы для самопроверки.
1. Особенности теплопередачи в технологической аппаратуре. Задачи, решающие при тепловой обработке продуктов. Признаки, по которым осуществляется
классификация теплообменных аппаратов.
2. Что такое общий тепловой поток? Что такое теплоотдача и теплопередача?
Как эти величины определяют тепловой поток?
41
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 42 из 80
«___»_____2014г.
3. Физический смысл и размерность коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и теплопроводности. Термическое сопротивление и связь его с коэффициентом теплоотдачи и теплопередачи.
4. Как осуществляется передача тепла через плоскую стенку, как распределяется общий температурный напор и как графически изображается распределение
температурного напора по участкам теплообмена, по фиктивным слоям системы и по термическим сопротивлениям?
5. Определение количества передаваемого тепла для непрерывного и периодического процесса теплообмена. Закон, по которому изменяются температурные
напоры, и коэффициенты теплопередачи во времени и по поверхности.
6. Напишите общий вид уравнения для теплового потока, для теплообменников
любых типов и для всех видов протекающих в них процессов теплообмена, а
также для частных случаев при постоянстве теплового потока во времени и при
постоянном коэффициенте теплопередачи по всей поверхности нагрева.
7. Определение среднего температурного нагрева и графическое изображение
среднеарифметических температур, и их разности при прямотоке, противотоке,
при конденсации пара и кипении жидкости.
8.. Какие имеются теплопотери, их величина? Как учитываются теплопотери?
Какой вид имеют уравнения теплообмена при нагревании и охлаждении жидких или газообразных тел, при испарении жидкости и при конденсации паров?
9. Общая классификация основных случаев теплообмена. Какие основные критерии являются определяющими при конвективном теплообмене, при свободном и вынужденном движении, при конденсации?
10. Как определяется коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции без
изменения агрегатного состояния вещества. К какому расчётному виду приводится критериальное уравнение? Докажите такое преобразование.
11. Какие критериальные уравнения процесса теплоотдачи применяются для
случая вынужденного движения в трубах и каналах без изменения агрегатного
состояния вещества? Что характеризует входящие в уравнение критерии и какой вид придаётся расчетным формулам для турбулентного режима движения?
Приведите способ преобразования критериальных уравнений в расчетные.
12. Критериальные уравнения, применяемые для теплоотдачи при изменении
агрегатного состояния вещества/конденсации греющего пара/ и расчетный вид,
к которому они приводятся для случая конденсации на вертикальных и горизонтальных поверхностях труб.
13. Критериальные уравнения, применяемые для определения коэффициента
теплоотдачи при свободном парообразовании и при кипении в трубах. К какой
расчетной формуле приводятся критериальные уравнения.
14. Определение общего коэффициента теплоотдачи при известных коэффициентах теплоотдачи и наличии данных о толщине и теплопроводности слоёв
плоской твёрдой перегородки. Какие при этом учитываются термические сопротивления?
42
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 43 из 80
«___»_____2014г.
15. Как влияют на величину общего термического сопротивления соотношения
коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и слой накипи?
16. По каким признакам осуществляется классификация теплообменников.
Дайте сравнительную оценку теплообменным аппаратам различных типов и
конструкций.
17. Дайте сравнительную оценку типичным случаям дайте сравнительную
оценку типичным случаям теплообмена в различных теплообменниках с точки
зрения эффективности теплообмена.
18. Каким требованием должны удовлетворять теплообменные аппараты. Какие
соображения должны быть положены в основу при выборе теплообменников?
Методы повышения интенсивности теплообмена в теплообменных аппаратах и
их технико-экономическая оценка.
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 8. Тепловые процессы Нагревание. Порядок проектного расчёта
трубчатого теплообменника
План лекции:
1. Последовательность проектного расчёта.
2. Основы расчётов.
1.Последовательность проектного расчёта.
Проектный расчёт включает в себя следующие частные расчёты:
1.1 Гидродинамический расчёт.
1.2. Геометрический расчёт.
1.3. Тепловой расчёт.
1.4. Конструктивный расчёт.
1.5 Изоляционный расчёт.
1.6. Расчёт теплопотерь
1.7 Расчёт вспомогательного оборудования.
1.8. Экономический расчёт.
3. Основы расчётов.
3.1. Гидродинамический расчёт Целью гидродинамического расчёта является
определение оптимальной скорости движения жидкой (газовой) среды в трубках.
43
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 44 из 80
«___»_____2014г.
По технологическим данным выбирают минимальную скорость движения
жидкого продукта (wmin) в м/с в зависимости от вида среды. Определяют режим движения продукта по величине критерия (числа) Рейнольдса (Re).
Re 
wmin  d

;
(1)
где wmin - минимальную скорость движения жидкого продукта;
d - внутренний диаметр трубки, м;
ν - кинематический коэффициент вязкости нагреваемой жидкости при средней температуре, м2 /с.
Определив значение числа Рейнольдса, тем самым, выяснив режим движения,
рассчитываем оптимальную скорость движения
- для турбулентного режима:
 B

wo  
 d 0.2 
 A X

0.357
;
(2)
- для ламинарного режима:
0, 429
 B

wo  
 d 0.37 
;
(3)
 A X

где А – коэффициент физических параметров жидкости, влияющих на теплоотдачу. Определяют по эмпирическим формулам в зависимости от режима (см.
.литературу []).
В – коэффициент экономических и температурных параметров. Определяют при любом режиме движения жидкости по эмпирической формуле. (см.
.литературу []).
При расчёте значений А выбирают из таблиц или вычисляют значения критерия Прандтля (Pr):
Pr 
c

;
(4)
где μ - динамический коэффициент вязкости при средней температуре жидкости, Па·с;
λ - коэффициент теплопроводности жидкости при средней температуре;
Вт/м· град.
Х – сумма коэффициентов гидравлических сопротивлений.
X  * 
44
Lo
  ;
d
(5)
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 45 из 80
«___»_____2014г.
где λ* - коэффициент гидравлического трения, определяемый в зависимости от
режима.
Lo - общая длина движения жидкости в трубках, м;
Σξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений..
Затем окончательно рассчитывают значение оптимальной скорости движения
жидкого продукта в трубках по формуле (2) или (3). Далее переходят к геометрическому расчёту.
3.2. Геометрический расчёт. Целью последнего является определение точного
количества трубок в одном ходу.
Определяем объёмную секундную производительность теплообменника (Vc)
м3/с, на основе массовой часовой производительности, заданной в исходных
данных – G (т/ч).
Vc 
G 1000
;
3600 
(6)
С другой стороны, согласно уравнению неразрывности
Vc = wo· Fc = wo· (πd 2 / 4) · nx
(7)
где Fc - площадь поперечного сечения трубок одного хода., м2.
nx – число трубок в одном ходу, которое определяем, зная величину Vc
nx 
4  Vc
(8).
  wo  d 2
3.3.Тепловой расчёт. Целью данного расчёта является определение поверхности
теплопередачи F в м2 по формулам (6) – (10) и точного (фактического) числа
ходов в теплообменнике.- zф.
При определении площади теплопередачи F рассчитывают коэффициент теплопередачи К:
K
1

1
 ст 
1 .ст  2
1
(9)
где α1 – коэффициент теплоотдачи от греющего пара к наружной поверхности
трубок, Вт /м2·град;
α2 - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к
нагреваемой жидкости, Вт /м2·град;
λст - коэффициент теплопроводности стенки трубки, Вт /м · град;
δст - толщина стенки трубки, м.
45
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 46 из 80
«___»_____2014г.
1 
c*  b 4 r
(10)
L  t п  t ст 
c* - коэффициент, учитывающий влияние на α1 расположение трубок в пространстве;
b - коэффициент физических параметров конденсата;
r – теплота парообразования, кДж/кг;
L – длина контакта пара и трубки (определяющий линейный размер для парового потока), м;
tп – температура греющего пара, 0С;
tст –температура стенки, 0С.
4
 2  Nu 

(11)
d
где Nu – критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи (в
данном случае, на границе стенка трубки – поток нагреваемого жидкого продукта). Для развитого турбулентного режима:
Nu  0,021  Re
0,8
 Pr
0, 43
 Pr 

 
Pr
 ст 
0, 25
(12)
Для ламинарного режима:

 d 
Nu  1,61  Re Pr 
 L 

0,33
  

 

 ст 
0,14
(13)
Определив α1 и α2, затем рассчитав К, вычисляют площадь теплопередачи F:
Q
(14)
K  t
Затем рассчитывают точное число ходов в аппарате zФ:
F
zф 
F
  d  l  nx 
(14*)
3.4. Конструктивный расчёт.
Целью является определение точного общего числа трубок (no) в теплообменнике конструктивных размеров аппарата: диаметров корпуса внутреннего (Dв)
46
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 47 из 80
«___»_____2014г.
и наружного (Dн), толщину стенки корпуса (δ), диаметр патрубков для потоков,
входящих и выходящих из теплообменника (dп).
no = nx· zф
D = 1,15 · φ· dн · √nф
(15)
(16)
где
φ – коэффициент размещения трубок, φ = 1,25 – 1,45;%
dн – наружный диаметр трубки, м.
Диаметры всех патрубков находятся из уравнения постоянства расхода:
d
4  Vc
 w
(17)
3.5 Изоляционный расчёт.
Целью расчёта является определение толщины слоя изоляционного материала (δиз). Теплообмен между изолированным аппаратом и воздухом в цехе
происходит в результате конвекции и лучеиспускания, интенсивность которых
рассчитывают.
Конвективный теплообмен характеризуется критериальным уравнением
Нуссельта:
Nu  0,15  Gr  Pr 0,333 ;
(18)
где Gr – критерий Грасгофа для потоков воздуха, характеризующий подъёмную
силу при конвекции;
g    l 3  t
Gr 
;
(19)
2
β – коэффициент температурного расширения воздуха, 1/К;
ν - кинематический коэффициент вязкости, м2 / с;
l - определяющий линейный размер аппарата, м;
t – температурный напор, 0С.
Pr - критерий Прандтля для воздуха (рассчитывается или определяется по таблице свойств воздуха).
Рассчитав значение Nu, определяют коэффициент теплоотдачи от аппарата за
счёт конвекции αк:
 к  Nu 

(20)
l
Далее рассчитывают коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием αл:
αк = сл · βл
(21)
47
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 48 из 80
«___»_____2014г.
сл - действительная константа лучеиспускания;
βл – температурный коэффициент при лучеиспускании (излучении).
Затем определяют суммарный коэффициент теплоотдачи α:
α = αк + αк
(22)
Рассчитывают удельный тепловой поток (потери теплоты) в окружающую среду q в Вт/ м2:
q = α · (tн - tв)
(23)
tн – температура наружной поверхности изолированного теплообменника, 0С;
tв – температура окружающего воздуха в цехе, 0С.
Определяют среднюю разность температур между греющим паром и окружающим воздухом. t*:
t* = tгр.п. - tв ;
(24)
Определяют коэффициент теплопередачи от греющего пара к окружающему
воздуху в производственном помещении К (Вт/м2· град):
K
q
t
*
;
(25)
Окончательно рассчитывают толщину слоя изоляционного материала :
 1 1  ст 
 ;
 
K


ст 

 из  из  
(26)
3.6. Расчёт теплопотерь.
Целью является определение потерь тепла от изолированной поверхности аппарата, которые не должны превышать 5% от тепла, поступившего теплообменник с греющим теплоносителем.
Определяют теплопотери со всей поверхности аппарата Qпот. в кВт:
Qпот. = Qиз +. Qнеиз. ;
(27)
Qпот. – полные тепловые потери, кВт;
Qиз. - тепловые потери от изолированной поверхности, кВт;
Qнеиз. - тепловые потери от неизолированной поверхности, кВт;
48
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 49 из 80
«___»_____2014г.
Qиз = q · Fиз;
(28)
Fиз – площадь изолированной поверхности теплообменника, м2.
Qнеиз. = α · (tн - tв) · Fнеиз ;
(29)
Fнеиз – площадь неизолированной поверхности, м2.
Вычисляют потери тепла Q в кВт и проверяют условие по допустимым потерям:
Qпот
 100  5% ;
(30)
Qпара
Если условие не выполняется, то расчёт толщины изоляционного слоя производят повторно.
Q 
3.7. Расчёт вспомогательного оборудования.
Рассчитывают трубопроводы для подачи и отвода жидкого продукта и подбирают насос центробежного типа. В данном расчёте используют уравнения гидравлики: уравнение неразрывности, уравнение Бернулли, преобразованное в
форму уравнения простого трубопровода и другие зависимости. Выбор насоса
осуществляют по справочному пособию.
3.8. Экономический расчёт
Цель данного расчёта – определение различных стоимостей. Определяют стоимости производственной площади, электроэнергии, греющего пара, изоляционного материала, эксплуатации и другие.
Вопросы для самопроверки.
1. Методы расчёта теплообменных аппаратов. Какие основные величины задаются и определяются при проектном расчёте поверхностных теплообменников
и какой порядок расчёта применяется при проектном тепловом расчёте подогревателей?
2. Гидродинамический расчёт.
3. Геометрический расчёт.
4. Тепловой расчёт.
5. Конструктивный расчёт.
6 Изоляционный расчёт.
7.Расчёт теплопотерь
8 Расчёт вспомогательного оборудования.
9.Экономический расчёт.
10. Оптимальная компоновка поверхности нагрева в теплообменных аппаратах.
Сущность и методика проверочных расчётов теплообменников.
49
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 50 из 80
«___»_____2014г.
Лекция 9. Тепловые процессы Выпаривание. Материальный и тепловой
балансы выпарного аппарата.
План лекции:
1. Физические основ выпаривания.
2. Материальный баланс
3. Тепловой баланс.
1. Физические основ выпаривания.
Выпаривание - процесс удаления воды из растворов при кипении с целью их
концентрирования. Из раствора удаляется часть растворителя (воды) в виде
вторичного пара, а растворённые вещества остаются в неизменном количестве.
Выпаривание относится к классу тепловых процессов
Выпаривание исключительно широко используется в пищевой промышленности. Выпаривание может выступать в качестве целевого конечного процесса,
либо в качестве промежуточного процесса с дальнейшим процессом сушки полученного концентрированного продукта. В первом случае, к примеру, получают молоко, сливки, сиропы, костные, желатиновые бульоны. Во втором
случае производят сахар, соль, глюкозу, соки, медпрепараты и другие продукты
Выпаривание производят в однокорпусных и многокорпусных выпарных
установках. Основой таких установок являются выпарные аппараты различных конструкций. Многокорпусные выпарные установки (МВУ) применяются
главным образом в силу значительных технико-экономических преимуществ
по сравнению с однокорпусными (ОВУ).
Выпаривание происходит при кипении раствора. Кипение – процесс парообразования во всём объёме раствора. Физическое условие кипения - равенство давления паров растворителя (р1) и давления газовой среды над раствором
(р2).
р1 = р2 ;
(1)
Движущая сила процесса выпаривания:
t = tгр.п. – tкип;
(2)
.
t – средняя разность температур между греющим паром и кипящим раствором, 0С;
tгр.п. – температура греющего пара, определяемая в зависимости от давления
водяного насыщенного пара по таблицам, 0С;
tкип - температура кипения жидкого продукта (раствора) при заданном давлении в надрастворном пространстве, 0С.
Температура кипения жидкого продукта в общем случае зависит от его физической природы, концентрации в нём сухих веществ и от внешнего давления.
50
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 51 из 80
«___»_____2014г.
Для раствора неизменного состава и заданной концентрации сухих веществ
температура кипения определяется только внешним давлением р2. Причём, с
понижением внешнего давления р2 понижается температура кипения tкип. Эта
закономерность используется при выпаривании жидких термолабильных продуктов, таких как молоко, сливки, соки и других.
При выпаривании происходит увеличение концентрации сухих веществ и
связанное с этим изменение физических свойств жидкого продукта.
Для выпаривания применяют испарители технологического назначения, называемые выпарными аппаратами.
Рассмотрим процесс в одиночном выпарном аппарате непрерывного действия.
На схеме введём следующие обозначения:
D- массовый расход греющего пара, (кг/с);
D’ - массовый расход конденсата греющего пара, (кг/с);
Sн - массовый расход начального раствора, (кг/с),
Sк - массовый расход конечного раствора, (кг/с),
W - массовый расход выпаренной воды (вторичного пара), (кг/с).
Уравнение материального баланса по раствору:
Sк = Sн – W;
(3)
Уравнение материального баланса по сухим веществам:
Sн · СВн = Sк · СВк;
(4)
Совместно решая (43) и (44), определим массовый расход выпаренной воды:
51
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 52 из 80
«___»_____2014г.
 СВн 
 ;
W  S н  S к  S н  1 
(5)
СВ

к 
Составим уравнение теплового баланса, введя следующие обозначения:
i' – энтальпия греющего пара, кДж/кг;
i'' - энтальпия конденсата, кДж/кг;
сн - теплоёмкость начального раствора, кДж/кг·град;
ск - теплоёмкость конечного (концентрированного) раствора, кДж/кг·град;
tн - температура начального раствора, 0С;
tк - температура конечного раствора, 0С;
Qп - тепловые потери, кВт (в дальнейшем учитываются коэффициентом
К=1,05);
D·i'' + Sн·cн· tн = D·i' + Sк·cк· tк+ W·i + Qп ;
(6)
Из уравнения теплового баланса (46) определяют
- тепловую нагрузку выпарного аппарата, Qвып ;
- массовый расход греющего пара, D ;
- массовый расход выпаренной воды, W.
Qвып = 1,05 · (Sк·cк· tк - Sн·cн· tн + W·i);
(7)
Qвып
;
i   i 
(8)
D
W  D
c t  cк t к
i   i 
 Sн  н н
;
i  cк t к
i  cк t к
(9)
Уравнение (49) преобразуем к виду:
W  D   Sн   ;
(10)
где α - коэффициент испарения, кг испар. воды / кг греющего пара; характеризует испарительную способность выпарного аппарата.
Β- коэффициент самоиспарения, кг испар. воды / кг р-ра; характеризует
интенсивность самоиспарения.
Технико-экономическую эффективность работы выпарного аппарата характеризует величина удельного расхода греющего пара – d (кг/кг):
d
52
D
;
W
(11)
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 53 из 80
«___»_____2014г.
Для однокорпусных выпарных установок (ОВУ) d = 1,1-1,3 кг/кг.
Для многокорпусных выпарных установок (МВУ) d = 0,24 -0,58 кг/кг.
В пищевых производствах используют МВУ по причине их очевидной
экономичности и более высокой производительности. ОВУ целесообразно
применять только для малотоннажных производств. Производительность ОВУ
по выпаренной воде в среднем составляет W = 500 – 1000 кг/ч.
Вопросы для самопроверки.
1. Дайте определение процесса «выпаривание». Из каких основных частей состоит выпарной аппарат? Приведите схему устройства и условные обозначения
выпарного аппарата. Как изменяются свойства растворов при их сгущении?
2. Опишите основные методы выпаривания и дайте им технико-экономическую
оценку.
3. Какие основные величины характеризуют работу выпарного аппарата и как
они определяются?
4. Как составляется материальный баланс выпаривания, какие величины и как
определяются из материального баланса?
5. Как составляется тепловой баланс выпаривания в одиночном выпарном аппарате и какие выводы можно сделать из анализа уравнений, по которым определяются расход греющего пара и количество выпаренной воды?
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 10. Тепловые процессы Выпаривание в многокорпусной выпарной установке (МВУ).
План лекции:
1. Принцип работы МВУ.
2. Материальный баланс
3. Тепловой баланс.
1.Принцип работы МВУ.
МВУ состоит из двух или более выпарных аппаратов (корпусов), соединённых между собой чаще всего последовательно. Кроме того, в установку
входят теплообменник предварительного подогрева начального раствора барометрический конденсатор для конденсации вторичного пара последнего корпуса, насос, трубопроводы, запорная арматура, контрольно-измерительные приборы, датчики.
53
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 54 из 80
«___»_____2014г.
Рассмотрим принцип работы трёхкорпусной выпарной установки
(МВУ-3) с последовательным соединением корпусов с выпариванием под вакуумом. Установки подобного типа используют для термолабильных жидких
продуктов (условно – растворов), к которым относят молоко, сливки, соки и некоторые другие жидкости.
Начальный раствор (Sн) насосом подаётся в теплообменник, где подогревается до определённой температуры и затем поступает в первый аппарат
(корпус), где частично выпаривается. Из первого корпуса раствор(S1) самотёком (вследствие разности давлений между корпусами) поступает во второй
корпус, где вновь выпаривается. Одновременно вторичный пар (W1) первого
корпуса (выпаренная вода) поступает в качестве греющего пара (D1) во второй
корпус. Из второго корпуса раствор (S2) вновь самотёком поступает в третий
корпус, в котором окончательно выпаривается до заданной концентрации. В
качестве греющего пара в третьем корпусе используется вторичный пар второго корпуса (W2). Таким образом, только первый корпус использует греющий
пар, подаваемый извне (ТЭЦ, котельная), а все последующие корпуса запитываются вторичными парами работающих корпусов. В этом – причина низкого
удельного расхода греющего пара и, следовательно, высокой техникоэкономической эффективности работы и высокой производительности МВУ по
сравнению с ОВУ. Производительность МВУ по выпаренной воде в среднем
составляет W = 1500 – 4000 кг/ч.
2.
Основные уравнения материального баланса для МВУ имеют вид:
S1 = Sн – W1;
(12)
S2 = S1 – W2;
(13)
S3 = S2 – W3 = Sк ;
W = W1 + W2+ W3 ;
(14)
(15)
Sн · СВн = S1 · СВ1 = S2 · СВ2= S3 · СВ3 = Sк · СВк ;
(16)
3. Основные уравнения теплового баланса для МВУ имеют вид:
54
D1·i1’’ + Sн·cн· tн = D1·i1’ + S1·c1· t1+ W1·i1 + Qп1 ;
(17)
D2·i2’’ + S1·c1· t1= D2·i2’ + S2·c2· t2+ W2·i2 + Qп2 ;
(18)
D3·i3’’ + S2·c2· t2= D3·i3’ + S3·c3· t3+ W3·i3 + Qп3 ;
(19)
W1 = D1 · α1 + Sн · cн ·βн ;
(20)
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 55 из 80
«___»_____2014г.
W1 = D1 · α1 + Sн · cн ·βн ;
(21)
W1 = D1 · α1 + Sн · cн ·βн ;
(22)
Вопросы для самопроверки.
1. Что понимается под нагрузкой корпусов многокорпусной выпарной установки? Какие существуют допуски при выводе основных уравнений нагрузки корпусов и как при этом осуществляется вывод указанных уравнений?
2. Напишите основные уравнения нагрузки корпусов многокорпусной выпарной установки и сделайте анализ этих уравнений.
3. Особенности теплопередачи в выпарных аппаратов. Влияние на коэффициент теплоотдачи при кипении уровня раствора в выпарном аппарате наличия
накипи и взвешенных частиц.
4. Чем осложняется работа выпарной установки в условиях накипеобразования?
Какие предельные случаи работы выпарной установки возможны при возрастании термического сопротивления корпусов?
5.. Какие существуют закономерности, характеризующие работу выпарной
установки для обеспечения заданной удельной производительности корпусов?
Как в этом случае определяется температурный перепад?
6. Чем характеризуется работа выпарной установки при постоянстве температурных перепадов в отдельных корпусах, а также при комбинированном режиме работы? Выполните анализ графиков работы одиночного аппарата при указанных режимах работы аппарата?
7. Как производится проектный расчёт одиночного аппарата выпарного с непрерывным процессом и как при помощи нагрузочной характеристики выбирается рациональный режим работы аппарата?
8. Как производится проверочный расчёт одиночного выпарного аппарата при
непрерывном процессе? Какие величины определяются и осуществляется оценка пригодности аппарата для работы?
9. Последовательность теплового расчёта многокорпусной выпарной установки.
Отличие метода расчёта нагрузки корпусов Г.Н. Костенко от метода Классена.
10. Соображения, которыми руководствуются при распределении общего полезного перепада температур между отдельными корпусам и многокорпусной
выпарной установки. Как распределяется полезный перепад температур в многокорпусной выпарной установке:
А) при одинаковых поверхностях нагрева корпусов;
Б) при минимальной суммарной поверхности нагрева;
В) при равенстве поверхностей нагрева корпусов и минимальной суммарной их
поверхности;
Г) при заданных температурах вторичного пара.
11. Kак осуществляется выпаривание в аппаратах периодического действия?
Какие применяются для них режимы работы? Какие выводы можно сделать из
55
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 56 из 80
«___»_____2014г.
анализа графиков выпаривания при различных режимах и как определяется поверхность нагрева выпарного аппарата периодического действия.
12. По каким основным признакам классифицируют выпарные аппараты. Приведите основные конструктивные схемы выпарных аппаратов и дайте им технико-экономическую оценку. Какими требованиями следует руководствоваться
при выборе выпарных аппаратов?
Лекция 11. Тепловые процессы Классификация выпарных аппаратов.
Порядок расчёта многокорпусной выпарной установки (МВУ).
План лекции:
1. Классификация выпарных аппаратов.
2. Порядок расчёта многокорпусной выпарной установки (МВУ).
1. Классификация выпарных аппаратов
1.1. По цикличности работы.
- периодического действия;
- непрерывного действия.
1.2. По технологическому назначению.
- для выпаривания молока, сливок;
- для выпаривания бульонов, крови;
- для выпаривания соков;
- для выпаривания сахарных сиропов и других растворов кристаллических веществ.
1.3. По давлению в надрастворном пространстве
- работающие под атмосферным давлением;
- работающие под вакуумом;
- работающие под повышенным давлением.
1.4. По конструкции
- со встроенной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой;
- с принудительной циркуляцией выносной греющей камерой;
- с выносной поверхностью нагрева;
- длиннотрубный плёночного типа (системы Кестнера);
- со стабилизатором потока (системы Левина);
- с падающей плёнкой ( марки «Виганд»).
2. Порядок расчёта многокорпусной выпарной установки (МВУ).
Имеется три основных методики расчёта МВУ:
1. Метод Классена.
2. Метод Тищенко.
3. Метод Кичигина.
Для МВУ, где выпаривание происходит под избыточным или атмосферным давлением в принципе применимы все методы расчёта, но предпочтительнее использовать метод Классена. Для МВУ, работающих под разрежени56
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 57 из 80
«___»_____2014г.
ем, где влияние самоиспарения существенно, необходимо применять метод
Тищенко.
При любом методе расчёта порядок расчёта следующий:
1. Материальный расчёт.
2. Тепловой расчёт.
3. Конструктивный расчёт.
4. Расчёт барометрического конденсатора.
5. Расчёт теплообменника (укрупнённый) предварительного подогрева.
6. Изоляционный расчёт.
7. Расчёт насосной установки и другого вспомогательного оборудования.
8. Экономической расчёт.
Принципиальные цели каждого из расчётов аналогичны целям расчётов трубчатого теплообменника, которые показаны выше.
Для материального и теплового расчётов используют уравнения материального
и теплового балансов.
В большинстве случаев жидкий продукт подают на выпаривание нагретым до
температуры кипения в первом корпусе или несколько выше при выпаривании
под вакуумом. Поэтому, тепловая нагрузка каждого корпуса (расход тепла)
определяется затратами тепла на испарение воды при кипении:
Q1 = φ1 · W1· r1 ; Q2 = φ2 · W2· r2 ; Q3 = φ3 ·W3· r3 ;
(23)
где φ1, φ2, φ3 – коэффициенты тепловых потерь в соответствующих корпусах.
Рассчитав или принимая по практическим данным коэффициенты теплопередачи по корпусам К1, К2, К3 , рассчитываем площади теплопередачи каждого
корпуса F1, F2, F3 (м2):
F1 
Q1
;
K1  t1
F1 
Q1
;
K1  t1
F1 
Q1
;
K1  t1
(24)
где t1, t2, t3 - разности температур между греющим паром и кипящим раствором в соответствующих корпусах, 0С.
Затем определяют количество кипятильных трубок в аппарате n:
n
F
;
 d H
(25)
где Н – высота кипятильных трубок в аппарате, м;
d - наружный диаметр корпуса, м.
Далее рассчитывают все основные габаритные размеры выпарных аппаратов.
57
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 58 из 80
«___»_____2014г.
Расчёт барометрического конденсатора
уравнение теплового баланса:
выполняют, составив для него
W3· i3 + Gв · св1 · tв1 = (W3 + Gв) · св2 · tв2 + Qп ;
(26)
где Gв - массовый расход охлаждающей воды, поступающей в конденсатор,
кг/с
св1, св2 - теплоёмкости воды, св1 ≈ св2 ;
tв1, tв1 - температуры воды начальная конечная, 0С.
Qп – тепловые потери в конденсаторе, Вт.
Из уравнения теплового баланса рассчитывают расход охлаждающей воды Gв Далее находят площадь теплопередачи конденсатора из уравнения теплопередачи. Затем определяют внутренний диаметр корпуса конденсатора, число
полок в конденсаторе, диаметр барометрической трубы и её высоту.
Изоляционный, экономический расчёты выполняют подобно аналогичным
расчётам для трубчатого теплообменника.
Вопросы для самопроверки.
1. Последовательность теплового расчёта многокорпусной выпарной установки.
Отличие метода расчёта нагрузки корпусов Г.Н. Костенко от метода Классена.
2. Соображения, которыми руководствуются при распределении общего полезного перепада температур между отдельными корпусам и многокорпусной выпарной установки. Как распределяется полезный перепад температур в многокорпусной выпарной установке:
А) при одинаковых поверхностях нагрева корпусов;
Б) при минимальной суммарной поверхности нагрева;
В) при равенстве поверхностей нагрева корпусов и минимальной суммарной их
поверхности;
Г) при заданных температурах вторичного пара.
3. Kак осуществляется выпаривание в аппаратах периодического действия? Какие применяются для них режимы работы? Какие выводы можно сделать из
анализа графиков выпаривания при различных режимах и как определяется поверхность нагрева выпарного аппарата периодического действия.
4. По каким основным признакам классифицируют выпарные аппараты. Приведите основные конструктивные схемы выпарных аппаратов и дайте им технико-экономическую оценку. Какими требованиями следует руководствоваться
при выборе выпарных аппаратов?
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
58
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 59 из 80
«___»_____2014г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 12. Массообменные процессы.
План лекции:
1. Основы массопередачи.
Массообменные процессы – это процессы, сущность которых составляет
перенос вещества из одной фазы в другую в результате разности концентраций
вещества между фазами ΔС:
ΔС = С1 - С2 ;
( 1)
где С1 - концентрация вещества в первой фазе;
С2 - концентрация вещества во второй фазе.
Массопередача – это суммарный процесс переноса вещества из отдающей
фазы к границе раздела фаз, через границу раздела фаз и затем в принимающую
фазу.
Массопередача состоит из молекулярной и конвективной диффузий. Молекулярная диффузия происходит за счёт беспорядочного теплового движения
молекул, скорость её, как известно, определяется длиной свободного пробега
молекул. Конвективная диффузия вызывается различной плотностью вещества
в отдельных точках системы. В свою очередь разность плотностей Δρ вызвана
разностью концентраций вещества между фазами в системе. Скорость конвективной диффузии значительно выше скорости молекулярной диффузии. При
переносе вещества, например, в системе газ – жидкость, вещество на участке
фаза 1 - граница фаз движется в основном за счёт конвективной диффузии,
Через границу раздела фаз (два плёночных слоя) вещество переносится только
в результате молекулярной диффузии. Далее, в глубь фазы 2 перенос массы
происходит, главным образом, за счёт конвективной диффузии. Таким образом,
всё диффузионное сопротивление массопередаче сосредоточено в межфазном
слое (плёночном слое).
Скорость молекулярной диффузии характеризуется первым законом Фика:
dM = - D ·F · (dC/dx) · dτ ;
(2 )
где dM - элементарная масса прошедшего вещества;
D - коэффициент диффузии, определяющий способность вещества проникать в какую-либо среду, м2 / с;
F - площадь массопередачи (поверхность контакта между фазами);
(dC/dx) – градиент концентрации;
dτ - элементарное время диффузии.
Для расчётов промышленных процессов массопередачи применяют уравнение,
учитывающее комплексный эффект молекулярной и конвективной диффузий –
основное уравнение массопередачи:
59
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 60 из 80
«___»_____2014г.
M = Kм · F · ΔС ;
(3 )
где M - масса вещества (массовый расход), перешедшего из фазы 1 в фазу 2 за
единицу времени, кг / с;
Kм - коэффициент массопередачи, характеризующий интенсивность процесса, кг / м2 · с.
K
1
1
1

n
;
(4 )
2
где β1 - коэффициент массоотдачи от первой фазы к границе раздела фаз.
β2 - коэффициент массоотдачи от границы раздела фаз ко второй фазе
n – коэффициент распределения вещества фазы 1 в объёме фазы 2.
Величины β1 , β2 определены для веществ различной природы опытным путём
и сведены в таблицы.
Критериальное уравнение Нуссельта для массопередачи имеет вид:
Nuв = А · Rea · Prд b ;
( 5)
где Nuв - диффузионный критерий Нуссельта;
Prд - диффузионный критерий Прандтля.
Nuв = β · l / D ;
(6 )
Prд = υ / D;
( 7)
Основной задачей расчёта массообменных аппаратов является определение поверхности массопередачи F, м2 .
F = M / (Kм · ΔС) ;
(8 )
По величине поверхности массопередачи рассчитывают все габаритные размеры массообменных аппаратов.
Вопросы для самопроверки
1. Какие процессы называются массообменными и почему их иногда называют
диффузионными процессами? Перечислите их и охарактеризуйте сущность
этих процессов.
2. Приведите основные законы диффузии. От чего зависит процесс молекулярной диффузии и коэффициент диффузии? Что является основой теории диффу60
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 61 из 80
«___»_____2014г.
зии? Определение коэффициента диффузии при различных температурах /для
газов и слабо разбавленных растворов/, когда он известен для одной какой-либо
температуры
3. Массоотдача и массопередача. Физический смысл и размерность коэффициентов массоотдачи и массопередачи. Уравнения, которые описывают массоотдачу и массопередачу. Связь между коэффициентами массоотдачи и массопередачи.
4. Критерии подобия процессов массообмена и их характеристика. Методы получения основной формы зависимости между критериями подобия для различных видов массопередачи, сущность этих методов.
5. Термодиффузия и принцип её линейности. Условия подчинения выбора термодинамических сил переноса для явлений теплопроводности и диффузии. Как
устанавливается основная форма зависимости для градиента концентрации,
возникающего из-за градиента температуры?
6. Сорбционные процессы и их использование в пищевой промышленности, характерные черты этих процессов и как они используются в промышленности?
Какие условия, исходя из правил Ле-Шателье, являются благоприятными для
сорбции и десорбции.
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 13. Массообменные процессы. Процесс сушки.
План лекции:
1. Основы кинетики и динамики сушки.
2. Материальный и тепловой балансы сушки.
1. Основы кинетики и динамики сушки.
Сушка – тепломассообменный процесс удаления влаги из материала путём её
испарения и отвода образующихся паров. Основу сушки составляет массообмен. Технологическое назначение сушки: обезвоживание продуктов с целью
увеличения их сроков хранения, придания
товарного вида и улучшения
транспортабельности. При этом все первоначальные пищевые свойства продуктов должны быть сохранены, а в некоторых случаях улучшены.
Различают конвективную и контактную сушку.
Конвективная сушка - сушка влажного материала в потоке газообразной среды (сушильного агента). Контактная сушка – сушка влажного материала находящегося непосредственно на нагретой металлической поверхности.
61
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 62 из 80
«___»_____2014г.
Способ сушки и интенсивность теплового воздействия сушильного агента
зависят от вида связи влаги с материалом и соответственно – от природы материала. Существуют три вида связи влаги с материалом: химическая, физикохимическая, механическая. Первая является наиболее прочным видом связи и
удаляется только контактной (кондуктивной) сушкой.
Сушка характеризуется двумя движущим силами: средней разностью
концентраций (ΔС) вещества между фазами( С1 и С2 ) и средней разностью
температур Δt температур между сушильным агентом t2 и материалом t1.
ΔС = С1 - С2 ;
( 1)
Δt = t2 - t1.
( 2)
Наиболее распространённым видом сушки является конвективная сушка. Данная сушка проходит в три стадии:
1. Перемещение влаги от центральных слоёв к поверхностным внутри материала.
2. Парообразование влаги.
3. Перемещение пара от поверхности в окружающий воздух.
На второй стадии процесса затрачивается значительное количества тепла, пропорциональное массе испаряемой влаги и удельной теплоте парообразования.
В итоге вся масса удалённой влаги (m) складывается из массы, удалённой за
счёт влагопроводности ( mw), и массы, удалённой за счёт теплопереноса (mt).
M = mw + mt ;
(3 )
Кинетика и динамика процесса сушки характеризуется кривыми сушки W = f
(τ) и скорости сушки dW/dτ = f (W) . Здесь W – удалённая влага в процессе
сушки в кг, τ – время сушки, dW/dτ – скорость сушки. Согласно кривой сушки
процесс происходит в три периода:
- период прогрева материала;
- период постоянной скорости;
- период падающей скорости.
Основная масса влаги W удаляется в периоде постоянной скорости:
W = βp · F · ( p1 – p2) · τ ;
(4 )
где βp - коэффициент массоотдачи;
p1 - парциальное давление паров воды в пограничном водяном слое;
p2 - парциальное давление паров воды в окружающей среде.
Конвективная сушильная установка включает в себя: вентилятор, калорифер,
сушильную камеру, транспортирующие механизмы и другое вспомогательное
оборудование. Уравнение материального баланса имеет вид:
L + L· x0 + m1 = L + L· x2 + m2 ;
62
(5 )
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 63 из 80
«___»_____2014г.
L - массовый расход подаваемого вентилятором воздуха в сушильной установке, кг/с;
m1; m2 – массовые расходы влажного и сухого материала, кг/с;
x0 ; x2 - начальное и конечное влагосодержания в воздухе, кг/кг.
Из уравнения ( ) находят расход воздуха L, необходимый для подбора вентилятора и теплового расчёта сушилки.
L = (m1 - m2 ) / (x2 - x0 );
(6 )
Откуда удельный расход воздуха, характеризующий технико-экономическую
эффективность работы сушильной установки, определится:
l = 1 / (x2 - x0 );
( 7)
Общий вид уравнения теплового баланса сушилки следующий:
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 + Q7 + ;
( 8)
где Q1 , Q2 ,…, Q7 - тепловые потоки в Вт, входящие и выходящие из сушильной камеры:
Q1 – с нагретым после калорифера воздухом;
Q2 - с влажным материалом;
Q3 - с транспортными механизмами;
Q4 - с отработанным воздухом на выходе из сушилки;
Q5 - с высушенным материалом;
Q6 - с транспортными механизмами;
Q7 - с тепловыми потерями.
Из уравнения теплового баланса определяют затраты тепла на сушку, тепловую
поправку на действительный сушильный процесс Δ в
кДж/ кг и далее – реальный расход воздуха L, а также тепловую нагрузку калорифера Qк в кВт.
Qк = L · ( I1 – I0) ;
(9 )
I1, I0 - энтальпии воздуха соответственно после и до калорифера,
кДж / кг.
Для сушки пищевых и других продуктов применяют сушилки различных конструкций. На распылительных сушилках высушивают жидкие продукты: молоко, сливки, соки и многие другие. Овощи, фрукты, мясо и другие продукты
высушиваются в сублимационных сушилках. На ленточных сушилках высушиваются сыпучие и мелкоштучные продукты.
63
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 64 из 80
«___»_____2014г.
Вопросы для самопроверки.
1. Способы удаления влаги из материалов и применение каждого из этих способов. Сушка. К какой группе процессов она относится и почему? Как осуществляется процесс сушки, какие сушильные агенты применяются для сушки,
их достоинства и недостатки? Значение сушки для пищевой промышленности.
2. На какие группы делятся влажные материалы и какие имеются связи влаги с
материалом? Распределение концентрации влаги в материале. Что такое влажность, влагосодержание материала и равновесная влажность.
3. Что понимается под влагопроводностью и термовлагопроводностью? Как
определяются количество перемещаемой влаги под действием влагопроводности и термовлагопроводности и суммарное количество влаги при наличии градиентов концентрации и температуры? Как происходит перемещение влаги путём влагопроводности и термовлагопроводности?
4. Процессы сушки материала. Что является движущей силой при сушке и как
определяется количество пара, испаряемого с поверхности материала? Чем лимитируется скорость сушки, что характеризуют критические точки?
5. Что является движущей силой в первый период сушки, какими уравнениями
выражается скорость сушки в этот период и количество испаряемой влаги с
единицы поверхности? Какие определяющие факторы влияют на скорость сушки в первый период?
6. Что является движущей силой сушки во второй период? Какая влага удаляется в этот период? Напишите уравнение скорости сушки во втором периоде и
определите коэффициент интенсивности влагообмена. Факторы, оказывающие
влияние на скорость сушки во втором периоде. Что вызывает усадку и коробление продуктов и как должен протекать процесс сушки, чтобы избежать растрескивания продукта?
7. Характеристика процесса сушки. Схема процесса и принятые обозначения
основных параметров. Как строится теоретический процесс в У-Х диаграмме и
почему энтальпия воздуха в теоретическом процессе сушки не изменяется? Как
по диаграмме определяется количество воздуха и тепла, расходуемого на 1 кг.
влаги, испарённой в сушилке?
8. Как составляется материальный баланс сушки и определяется количество испаренной воды? Как составляется баланс влаги сушилки/воздуха и материала/ и
определяется общий и удельный расход воздуха.
9. Как составляется тепловой баланс реальной сушилки и как определяются
расходы воздуха и тепла? Зависимость между энтальпией воздуха входящего в
сушилку и энтальпией воздуха выходящего из него, а также поправка на действительную сушилку /величина/.
10. Как строится действительный процесс сушки в I-d диаграмме и как из I-d
диаграммы определяются расчёт воздуха и тепла?
11. Чем отличается сушильный процесс с подогревом воздуха в сушильной камере от нормального сушильного процесса? Как строится процесс в I-d диа64
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 65 из 80
«___»_____2014г.
грамме при подогреве воздуха только в подогревателе или только в сушильной
камере? Как в последнем случае определяется расход воздуха на 1кг. испаренной влаги и расход тепла, затрачиваемый подогревательной и сушильной камере? Какие преимущества имеет сушильный процесс с подогревом воздуха в сушильной камере при прочих равных параметрах сушильного процесса?
12. Как осуществляется расчёт сушилки аналитическим путём /определение
аналитическим путём параметров состояния влажного воздуха и тепла по заданным
13. Отличительные особенности сушилки с промежуточным подогревом воздуха. Как строится процесс такой сушилки в I-d диаграмме при заданных значениях? Как определяется удельный расход воздуха, а также расход тепла в каждом подогревателе? Достоинства и недостатки сушилки с промежуточным подогревом воздуха.
14. В каких случаях целесообразно применять сушилки с возвратом отработанного воздуха? Как строится процесс такой сушилки в
диаграмме? Как определяется расход воздуха, поступающего в подогреватель /свежего/ и отработанного и расход тепла при нормальном процессе и с возвратом воздуха при одинаковых конечных параметрах?
15. Как определяется К.П.Д. сушильной установки? Определите К.П.Д. различных вариантов сушильных процессов при прочих равных условиях.
16. По каким признакам производится классификация сушилок? Устройство и
работа барабанных сушилок. Конструкции внутренних насадок, их достоинства
и недостатки, выбор типа. Определение основных размеров барабанных сушилок / диаметра и длины/.
17. Какие типы конвективных сушилок, кроме барабанных, применяются в пищевой промышленности? Их устройство, работа и расчёт. Для сушки каких
пищевых продуктов пригодны эти сушилки?
18. На каком принципе основана работа контактных сушилок? Устройство, работа и расчёт контактных сушилок. Для сушки каких пищевых продуктов пригодны эти сушилки?
19. Какие особые методы сушки применяются в пищевой промышленности?
Для сушки, каких продуктов они применяются и почему? Устройство и работа
сушилок. Технико-экономическая оценка новых методов сушки.
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
Лекция 14. Массообменные процессы. Процесс абсорбции.
План лекции:
1. Основы теории абсорбции.
65
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 66 из 80
«___»_____2014г.
2. Материальный баланс абсорбции.
1. Основы теории абсорбции.
Абсорбция – процесс поглощения газов или паров всем объёмом жидкости.
Поглощение газа может происходить либо за счёт его растворения в жидкости (абсорбенте), либо в результате его химической реакции с абсорбентом.
В первом случае процесс называется физической абсорбцией, во втором случае
– хемосорбцией.
Растворимость газов в жидкостях зависит от физических свойств газов и
жидкостей, от температур в системе, парциального давления поглощаемого газового компонента над жидкостью. Зависимость между растворимостью газа и
его парциальным давлением характеризуется законом Генри:
«Растворимость газа прямо пропорциональна парциальному давлению газа
над жидкостью».
x = p ·ψ;
(1)
где x – концентрация растворённого газа в жидкости;
p - парциальное давление поглощаемого газа;
ψ – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств газа и поглотителя.
В газовой смеси величина парциального давления определяется законом Дальтона:
«Парциальное давление газового компонента составляет долю от общего
давления, пропорциональную концентрации компонента в газовой смеси».
p = y · P;
(2)
где y – концентрация растворённого компонента в газовой смеси;
P - общее давление газовой смеси.
2. Материальный баланс абсорбции.
Уравнение материального баланса абсорбции имеет вид:
М = G  (ун - ук) = L  ( хк – хн )
где М – массовый расход поглощённого газа, кг/с;
G – массовый расход проходящей газовой смеси, кг/с
L - массовый расход проходящей жидкости, кг/с
(3)
При абсорбции выделяется значительное количество тепла Q, которое необходимо компенсировать охлаждением водой:
66
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 67 из 80
«___»_____2014г.
Q=MФ
(4)
Вопросы для самопроверки.
1. Определение абсорбции, виды процесса.
2. Законы Генри и Рауля.
3. Закон Дальтона.
4. Приемы, применяемые для создания тесного контакта между газом /или паром/ и жидкостью. Сущность механизма процесса течения жидких пленок. Как
определяются в этом случае критерии Рейнольдса, эквивалентный диаметр и
средняя скорость течения жидкости? Какой вид имеет течение жидких плёнок в
зависимости от числа Рейнольдса?
Рекомендуемая литература.
1. Стабников В. Н., Попов В. Д., Лысянский В. М. и др. Процессы и аппараты
пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.
2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.,
«Химия»,1971г.
3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Наименование занятий и их содержание
Методические рекомендации
Подготовку к каждому лабораторному занятию следует начинать с повторения
основных разделов темы, детального разбора примеров (по рекомендованной
литературе или конспектам) и ответов на контрольные вопросы.
Работа над учебником обязательно должна сопровождаться решением задач по
изучаемому разделу курса. Задачи рекомендуется решать самостоятельно, так
как при этом лучше усваивается и закрепляется теоретический курс, выясняется
суть гидравлических явлений. Очень полезно, самостоятельно произвести все
требующиеся расчеты, а затем проанализировать приведенные в учебнике и задачниках примеры и задачи с решениями.
Типовые задачи мы будем решать на практических занятиях. Во время самостоятельной работы под руководством преподавателя я смогу дать ответы на
вопросы, которые возникнут у вас при выполнении домашних заданий.
Для полного понимания рассматриваемого материала, необходимо оформить
краткий конспект каждой темы, записывая основные определения и все без исключения формулы с анализом их физического смысла. Все записи, а также
решения задач по каждой теме, следует вести в отдельной тетради для практических работ.
67
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 68 из 80
«___»_____2014г.
В дальнейшем этот материал, подготовленный вами самостоятельно, не только
окажет большую помощь при повторении курса перед экзаменом, но и может
быть использован как справочное пособие в практической работе.
Тема 1. «Одноходовой теплообменный аппарат»
Цель работы
1. Изучение процесса теплообмена на действующем аппарате.
2. Определение общего коэффициента теплопередачи по опытным данным.
3. Определение потерь тепла в окружающую среду.
Для расчета используются средние значения температуры холодной и нагретой
воды;, давления, температуры пара, общие количества прошедшей воды и конденсата, найденные но данным протокола за все время испытания. Определение
общего коэффициента теплопередачи
Так как поверхностью нагрева, в аппарате служат трубы, расчет коэффициента
теплопередачи проводится по формуле (II—5) для цилиндрической стенки;
Вопросы для самопроверки
1.. Конструкция и принцип работы одноходового трубчатого теплообменного
аппарата.
2. Назначение, устройство и принцип работы конденсационного горшка с открытым поплавком.
3. Чем вызваны и как определяются потери тепла в окружающую среду?
Тема 2. «Выпарной вакуум-аппарат»
1. Определение удельного расхода греющего пара на выпаривание.
2. Определение коэффициентов теплопередачи для периода подогрева раствора
и периода выпаривания.
Выпаривание под вакуумом, помимо улучшения качества продукта, имеет и
другие преимущества по сравнению с выпариванием под атмосферным давлением.
Необходимым условием передачи тепла от греющего пара выпариваемому раствору является разность температур греющего пара и кипения раствора. В вакуум-аппаратах благодаря пониженной температуре кипения эта paзность увеличивается; следовательно, уменьшается потребная поверхность нагрева (F =
Q/K·t) или в аппарате с определенной поверхностью нагрева от греющего пара к раствору будет передано больше тепла и больше выпарится воды, или то
же количество воды выпарится за меньшее время.кипения для обеспечения той
68
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 69 из 80
«___»_____2014г.
же разности температур (t) использовать греющий пар более низкого давления, т. е. отработавший (мятый) нар.
В вакуум-аппаратах вследствие низкой температуры кипения понижается температура корпуса аппарата (стенки) и уменьшаются потери тепла в окружающую среду
[Q =  · Fкорп · (tкорп - tвозд)], следовательно, уменьшается расход греющего пара.
Однако удельный расход греющего пара (dвып) в вакуум-аппаратах несколько
выше, чем в аппаратах, работающих под атмосферным давлением (вследствие
увеличения значения скрытой теплоты парообразования r = f (1/р).
По известному разрежению рассчитывается давление в соковом пространстве
аппарата р':
р' = В - рвак
(1)
где: В - барометрическое давление;
рвак - разрежение в аппарате.
8. Давление на средний слой раствора в аппарате будет выше, чем р', за счет
давления самого столба раствора:
р = р' + р.
(2)
где: р – гидростатическое давление столба раствора на средний слой
р =  · H/2
3
где:  - плотность, кг/м ;
Н - высота столба раствора в аппарате в м.
(3)
9. По найденному давлению р по табл. 1 приложения определяется начальная
температура кипения воды (или раствора) в среднем слое tнач кип.
Удедьный расход греющего пара на выпаривание определяют по формуле:
dвып = Dвып/ W
(4)
Количество выпаренной воды:
W =Sнач - Sкон.
(5)
Расход греющего пара на выпаривание (Dвып) равен количеству конденсата, образовавшегося за период выпаривания.
Коэффициент теплопередачи для периода подогрева раствора:
Кпод = Qпод /Fпод · t · под.
(6)
Количество тепла на подогрев раствора до температуры кипения:
Qпод = Sнач c · (tсркип - tо).
(7)
69
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 70 из 80
«___»_____2014г.
Продолжительность периода подогрева раствора под соответствует времени от
начала испытания до начала кипения раствор.
Средний температурный напор в период подогрева определяется по формуле:
tподср = (tб + tм)/2, если tб /tм< 2
(8)
или
tподср = (tб - tм)/2,3 · lg (tб /tм), если tб /tм  2.
(9)
tб = tсргр.п - tо,
tм = tсргр.п - tначкип.
Коэффициент теплопередачи для периода выпаривания:
Квып = Qвып/Fвып · t · вып.
(10)
(11)
(12)
Количество тепла на выпаривание:
Qвып = W · r,
(13)
где: r – удельная теплота парообразования, Дж/кг; определяют по табл. 2 приложения по среднему давлению в аппарате р´ в период выпаривания.
Продолжительность периода выпаривания соответствует времени от начала кипения до конца испытания вып.
Разность температур теплоносителей в период выпаривания:
tвып = tсргр.п - tначкип.
(14)
Вопросы для самопроверки
1. Из каких основных элементов состоит установка для выпаривания при разрежении?
2. В чем преимущества выпаривания под вакуумом?
3. Как определяется температура кипения воды в вакуум-аппарате при известном разрежении?
Тема 3. «Конвективная сушка пищевых продуктов в циркуляционной
сушильной установке»
1. Изучение процесса конвективной сушки кусковых матеpиaлoв.
2. Построение по результатам испытания кривых сушки и кривых скорости
сушки.
3. Анализ процесса сушки па основании построенных кривых.
70
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 71 из 80
«___»_____2014г.
Начальная влажность определяется:
Wсо = (gвл /g2) 100 %
(1)
где: gвл - масса влаги в навеске в г;
g2 - масса навески после сушки до постоянного веса в г.
По найденной для каждой навески влажности (Wсо1 и Wсо2) определяется средняя начальная влажность материала:
Wсоср = (Wсо1 + Wсо2) / 2
(2)
Определение сухой массы образца.
Сухая масса образца материала определяется по формуле:
Gсух = G1 / (1 + Wсоср/100)
(3)
где: G1 - начальная масса влажного материала в г;
Wсоср - средняя начальная влажность материала в %
Определение влажности материала в процессе сушки влажность материала
определяется для каждого n-го замера по формуле:
Wсn = (Gвл.n / Gсух) 100 %
(4)
Для этого, используя данные расчета и протокола № 2, для каждого момента
времени (для каждого замера) предварительно определяется: масса образца
Gn = Gn-1 - G1,
(5)
где: Gn - масса образца в данный момент;
Gn-1 - масса образца в момент предыдущего замера;
G1 - убыль массы между этими замерами;
масса влаги в образце:
Gвл n = Gи n – Gсух,
(6)
Построение кривой сушки. Кривая сушки, дающая графическую зависимость
между влажностью материала и временем, строится на миллиметровой бумаге
по данным протокола № 2.
По оси абсцисс откладывается в определенном масштабе время от начала испытания в часах, а по оси ординат влажность материала Wс в процентах.
71
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 72 из 80
«___»_____2014г.
Экспериментальные точки соединяются плавной линией, которая и будет кривой сушки. На кривой сушки находится критическая точка К, которая делит
весь процесс на периоды постоянной и падающей скорости сушки.
Построение кривой скорости сушки. Кривая скорости сушки строится методом
графического дифференцирования кривой сушки.
Графическое дифференцирование проводится следующим образом.
На кривой сушки (рис. 2) намечается несколько точек (от 10 до 15), для которых будет определена скорость сушки. Из каждой точки проводится касательная к кривой и определяется тангенс угла наклона каждой касательной. Например, для точки 5 тангенс угла наклона касательной будет:
tg 5 = а / b
(7)
где: а - величина отрезка на оси ординат в %;
b - величина отрезка вдоль оси абсцисс в ч.
Найденные таким образом тангенсы углов наклона касательных во всех точках
имеют размерность %/ч и показывают изменение влажности материала за единицу времени (d Wс/d ), т. е. соответствуют скорости сушки в этих точках при
определенной влажности (для точки 5 при влажности Wс5, для точки 9 при
влажности Wс9 и т. д.).
Для точек 1, 2, 3, лежащих на прямой, тангенсы угла наклона одинаковы; это
подтверждает, что точки лежат в периоде постоянной скорости сутки. Для последующих точек тангенсы уменьшаются, следовательно, процесс сушки происходит с убывающей скоростью. По найденным значениям  по психрометрической таблице (табл. 3 приложения) определяется относительная влажность
воздуха перед калорифером о перед рабочей камерон 1, и после рабочей камеры 2 .
Вопросы для самопроверки
1. Как строится кривая сутки?
2. Как строится кривая скорости сушки?
3. В чем заключается метод графического дифференцирования?
Тема 4. «Барабанная сушильная установка»
1. Построение процесса сушки в I - d-диаграмме.
2. Аналитический расчет: удельного и полного расхода воздуха, удельного и
полного расхода тепла в калорифере.
3. Графический расчет по I - d- диаграмме: удельного расхода воздуха,
удельного расхода тепла в калорифере.
1. Начальная влажность материала определяется:
72
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 73 из 80
«___»_____2014г.
Wс1 = gвл ·100 %/gсух,
где: gвл - масса влаги в навеске, г;
gсух - масса навески после сушки до постоянной массы, г.
(12)
По найденной влажности (Wс´1 и Wс´´1) определяется средняя начальная влажность продукта:
Wс1 = (Wс´1 + Wс´´1)/2
13)
2. Аналогично определяется конечная влажность: сначала для каждой навески в
бюксах для сухого материала (Wс´2 и Wс´´2), а затем средняя конечная влажность
Wс2.
Определение количества влаги, испаренной в процессе сушки.
Количество испаренной из материала влаги определяется по формуле:
U = G1 (Wс1 - Wс2) / (100 + Wс1)
(14)
где: G1 - масса поступившего в сушилку влажного материала pа 1 ч испытания,
кг/ч. G1 = G´1/общ ;
G2 – масса высушенного материала, кг/ч.
G2 = G´2/общ .
Количество испаренной влаги: W = G1 - G2
(15)
Построение процесса сушки в I – d-диаграмме.
Процесс сушки в I – d-диаграмме (см. вклейку) строится по средним данным
испытания из протокола № 2.
Аналитический расчет
Определение расхода воздуха
Удельный расход воздуха определяется по формуле:
1 = 1000/(d2 – d0),
где: d0 и d2 - удельное влагосодержание свежего и отработавшего воздуха в г/кг
сухого воздуха, найденные для соответствующих точек по I – d-диаграмме.
Полный расход воздуха определяется по формуле L = I · U.
Определение расхода тепла в калорифере.
Удельный расход тепла в калорифере определяется по формуле:
qкал = l · (I1 – I0)
(16)
где: I1 и I0 - удельная энтальпия свежего воздуха и воздуха после калорифера в
Дж/кг сухого воздуха, найденные для соответствующих точек по I – dдиаграмме.
Полный расход тепла в калорифере определяется по формуле:
73
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 74 из 80
«___»_____2014г.
Qкал = qкал · U
Графический расчет.
Удельный расход воздуха определяется по формуле:
L = 1000 / CD · Md
где: CD - отрезок в мм на I – d-диаграмме (рис. 2);
Md - масштаб оси удельного влагосодержания на I – d-диаграмме.
Удельный расход тепла в калорифере определяется по формуле:
qкал = АВ · m/CD
где: АВ - отрезок в мм на I – d-диаграмме;
m - масштабный фактор диаграммы.
m = 1000 · MI / Md,
здесь MI - масштаб оси удельной энтальпии.
Сравниваются результатов аналитического и графического расчетов
Вопросы для самопроверки
1. Что характеризует и от чего зависит удельный расход воздуха?
2. Что характеризует и от чего зависит удельный расход тепла в калорифере?
3. Из каких основных элементов состоит сушильная установка для конвективной сушки?
4. Какие линии нанесены на I – d-диаграмме?
5. Как определяются по I – d-диаграмме основные параметры влажного воздуха?
6. Как изображаются на I – d-диаграмме процессы нагревания и охлаждения
воздуха и как в этих процессах изменяются его основные параметры?
7. Как изображается на диаграмме процесс осушки воздуха и как изменяются в
этом процессе его параметры?
8. Как изменяются параметры влажного воздуха в процессе сушки?
Тема 5. «Молотковая дробилка»
1. Ознакомление с существующими конструкциями дробилок.
2. Изучение работы молотковой дробилки.
74
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 75 из 80
«___»_____2014г.
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 хорошо разрушают хрупкие материалы (зерно, соль, сахар и
др.) и менее эффективны при измельчении влажных продуктов и продуктов с
высоким содержанием жира. Наибольшее распространение получили дробилки
со свободно подвешенными молотками.
Молотки должны перемещаться с такой окружной скоростью, при которой
обеспечивалось бы первичное разрушение материала в момент ударов по нему
молотков. Эту необходимую скорость можно определить приближенно, исходя
из закона количества движения:
m · (1 - 0) = Р · ,
где: m - масса измельчаемой частицы, кг;
0 - скорость частицы при начальном соприкосновении с молотком, м/с;
1 - скорость частицы при ударе по ней молотка, м/с;
Р- средняя мгновенная сила сопротивления разрушению частицы, Н;
 - продолжительность удара, с.
Если принять 0 = 0, то
m · мин = Р · ,
откуда
мин = Р ·  / m.
(1)
(2)
мин = 117,72·1·10-5/29,53·10-6 = 40 м/с.
Порцию зернистого твердого материала засыпают в бункер молотковой дробилки, открывают дозирующее устройство и дробят материал, используя вначале чешуйчатое сито с отверстиями размером 10,5·175 мм, а затем обычное
сито с отверстиями диаметром 4,6 мм.
Для получения зерновой характеристики материала после дробления на молотковой дробилке необходимо провести ситовый анализ. Для сравнения такой
анализ проводится с использованием чешуйчатого и обычного сит. Результаты
ситового анализа заносят в протокол испытания.
Вопросы для самопроверки
1. Типы и конструкции дробилок.
2. Устройство молотковой дробилки.
3. Параметры, характеризующие работу дробилок.
4. Как проводится ситовый анализ продуктов диспергирования?
5. Порядок проведения работы и анализ опытных данных.
75
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 76 из 80
«___»_____2014г.
Тема 6. «Лопастная мешалка»
1. Изучение основных конструктивных элементов мешалок.
2. Определение расхода энергии на перемешивание.
3. Обобщение экспериментальных данных.
Значения чисел Еим и Rем определяются по формулам:
Еим = N/·n3·d5; Rем = n·d2·/
На основании вычисленных значений Еим и Reм строят график зависимости lg
Еим от lg Rем (рис. 3) и по этому графику определяют значения постоянных величин А и m.
Логарифмируя эту формулу, получают уравнение прямой линии:
lg Euм = lg A + m·lg Reм .
Показатель степени т находят как тангенс угла наклона полученной прямой tg 
= 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 Eим – m·lg Rем.
Необходимо сделать не менее трех таких определений и получить из них среднее значение коэффициентов.
Мощность на валу мешалки определяют по формуле:
Nм = N1·дв·пер
где: Nм - мощность на валу мешалки;
N1 - мощность, определяемая по ваттметру;
дв - к. п. д. двигателя;
пер - к. п. д. передачи.
Вопросы для самопроверки
1. Назначение процесса перемешивания.
2. Типы мешалок.
3. Вид и значение общего критериального уравнения.
4. Описание основных элементов установки.
5. Порядок проведения работы и анализ опытных данных.
76
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 77 из 80
«___»_____2014г.
Тема 7. «Фильтрующая центрифуга периодического действия»
1.Изучение основных закономерностей фильтрования под действием центробежной силы.
2. Определение продолжительности процесса центрифугирования и заданной
конечной влажности.
Полный объем барабана :
V0 
D 2 H
4
D - внутренний диаметр барабана (м)
Н – высота барабана. (м)
Рабочий объем барабана:
Vp = (/4) (D2 – D12 )
D1 - внутренний диаметр кольца материала (осадка) при вращении, (м).
Коэффициент наполнения барабана
K = Vр / Vб = 1 – (D1 / D2 )2
Фактор разделения:
 2  r n2  D
Fr 
g

1800
Поверхность фильтрации:
F = DH
Средние скорости фильтрации за отрезки времени () между замерами :
vср = V” / F
V” - объем фильтрата за отрезок времени .
Влажность осадка в барабане центрифуги во время замеров ():
W = ( - 0 ) / (G - )100
где: G — масса загрузки;
— масса влаги в загрузке;
0 — масса фильтрата к данному моменту времени
По полученным расчетным данным и данным опыта строят графики зависимостей  =(). vср =() . W =() и сравнивают продолжительность процесса,
определенную экспериментально и аналитически по расчетным формулам.
Вопросы для самопроверки
1. Типы и конструкции центрифуг и сепараторов.
2. Устройство подвесной фильтрующей центрифуги.
77
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 78 из 80
«___»_____2014г.
3. Параметры, характеризующие работу центрифуг и сепараторов.
4. Порядок проведения работы и анализ опытных данных.
Тема 8 «Фильтрация на рамном фильтрпрессе»
1.Ознакомление с устройством фильтрпресса и его работой.
2. Проведение опытной фильтрации.
3. Расчет коэффициентов фильтрации по экспериментальным данным.
I. Строит график зависимости V0=f () (рис. 3)
V =V0 / F (м3 / м2)
F = n f (м 2),
n - число фильтрующих перегородок;f - поверхность одной фильтрующей перегородки, например для модели фильтрпресса лаборатории «Процессов и аппаратов» f =0,0625 м 2 (размер рамы (250 Х 250 мм). 2. На графике берут два
значения времени i и и 2 и соответствующие им значения V1 и V2. 3.Решая
систему двух уравнений;
V1 2 + 2V1 V0 = 2K  1.
V 22 + 2V2 V0 = 2K 2 ,
находят значение коэффициентов V0 и K
Рис 4 Схемы к графическому методу определения козффициентов фильтрации:
Коэффициенты фильтрации могут быть найдены и другим путем. Так дифференциальное уравнение фильтрации можно представить в следующем виде:
d V0 1

 V
dV
K K
Нетрудно заметить, что мы получим уравнение прямой линии в координатах
Нетрудно заметить, что мы получим уравнение прямой линии в координатах
(d / dV) – V. Тангенс угла наклона прямой равен
1/К, т. е. tg  = 1 / K, откуда К = 1 / tg  . Отрезок ОА , отсекаемый прямой на
оси ординат, равен V0 / К. Откуда
78
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 79 из 80
«___»_____2014г.
Vo=K OA.
Для упрощения задачи на оси ординат можно отложить
отношение конечных разностей d / dV , приближенно считая это отношение
средним для соответствующих интервалов значений Vi; тогда значения d / dV
откладываем по вертикали, проведенной из середины соответствующего участка V.
Целесообразно сравнить результаты графического определения коэффициентов
К и Vо с расчетом по экспериментальным данным.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Назначение процесса фильтрации.
2. Способы создания напора на фильтре.
3. Чем характеризуется режим фильтрации?
4. Уравнение Пуазейля, его физический смысл и возможность применения для
расчета фильтрации.
5. Стационарная и нестационарная фильтрация.
6. Дифференциальное уравнение фильтрации и его решение.
7. Основные элементы экспериментальной установки.
8. Устройство фильтрпресса.
4. Задания для самостоятельной работы студента
Темы для самостоятельной работы студентов
под руководством преподавателя - СРСП.
1. Проектный расчёт трубчатого теплообменника.
2.Проектный расчёт однокорпусной выпарной установки.
3. Проектный расчёт многокорпусной выпарной установки
4.Проектный расчёт распылительной сушилки
5.Проектный расчёт барабанной сушилки
5. ЛИТЕРАТУРА
1. Стабников В.Н., Попов В.Д., Редько Ф.А., Лисянский В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. М. «Пищевая промышленность», 1985г.(1976)
2. .Павлов К.Ф, П.Г.Романков, А.А.Носков
«Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии». Л. 1981.
3.Липатов Н.Н. «Процессы и аппараты пищевых производств». М. «Экономика». 1987.
4. Чубик И., Маслов А.И. Справочник теплофизических констант пищевых
продуктов. М.1972.
79
УМК 042-16.1.78 / 03 -2014
Редакция №
страница 80 из 80
«___»_____2014г.
5. Стабников В.Н., Попов В.Д. и др. «Проектирование процессов и аппаратов
пищевых производств» К. 1984.
6. Федоров Н.Е. «Методы расчетов процессов и аппаратов пищевых производств» ». М.1966г.
7. Кувшинский . Соболева. «Курсовое проектирование процессов и аппаратов
химических производств»». М. 1981.
8 Стабников В.Н., Баранцев В.И., Процессы и аппараты пищевых производств.
«Пищевая промышленность». 1985г.
9. Кук Г.Н. Процессы и аппараты в молочной промышленности 1973г.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты в химической технологии. Госхимиздат 1969г.
10. Федоров Н.Е. Процессы и аппараты в мясной промышленности. 1969г.
11. Плановский А.Н., Николаев Г.И. Процессы и аппараты химической и
нефтехимической технологии. Госхимиздат. 1960г.
12. Циборовский Д.Н., Процессы химической технологии (перевод с польского)
Госхимиздат 1958г.
13. Чернобыльский И.Н. и др. Машины и аппараты химических производств.
Машгиз.
14. Гинзбург А.С. Сушка пищевых продуктов. Пищепромиздат. 19
5. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
5.1. Устройство и работа ситовых машин.
5.2. Общая характеристика пищевых прессов. Определение давления прессования.
5.3. Конструкции отстойников периодического действия. Определение производительности и скорости осаждения.
5.4. Конструкции фильтров с неподвижной поверхностью фильтрования,
5.5. Конструкции фильтров с подвижной поверхностью фильтрования.
5.6. Отстойники полунепрерывного действия. Методика расчета.
5.7. Конструкции отстойников непрерывного действия. Определение габаритных размеров отстойников.
5.8. Основы электроосаждения. Схемы электроосадителей.
5.9. Конструкция непрерывнодействующей осадительной центрифуги НОГШ.
5.10. Схема тарельчатого сепаратора. Устройство и работа. Определение производительности сепаратора.
80