Назовите основные теплоносители применяемые в машинах для предприятий общественного питания

Назовите основные теплоносители применяемые в машинах для предприятий общественного питания

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Самый распространенный промышленный теплоноситель — насыщенный водяной пар, обладающий рядом замечательных свойств. Прежде всего это высокая аккумулирующая способность теплоты и высокие коэффициенты теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Так как при неизменном давлении температура конденсации постоянна, легко поддерживать постоянство температуры теплоносителя в аппарате. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температуре до 180. 190 °С и давлении до 12-105 Па. Перегретый пар редко используют в качестве теплоносителя из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.

Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды как теплоносителя следует отнести доступность и дешевизну, сравнительно высокие, но значительно меньшие, чем у конденсирующего пара, значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам этого теплоносителя относятся сравнительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

Повышение температуры воды выше 100 °С связано с резким увеличением давления, поэтому перегретая вода за редким исключением в качестве теплоносителя не используется.

Топочные газы широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000. 1100 °С при атмосферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов как теплоносителей относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.

Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) — один из распространенных промежуточных теплоносителей для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой (до 800 °С) температуре, например обжаривания кофе и какао-бобов. Масло можно нагревать до более высоких температур, как отмечалось выше, в топках печей или с помощью электрических нагревателей. Масла — сравнительно дешевые теплоносители, но обладают относительно низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, образуя на нагреваемой поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.

Выгодно отличаются от масел высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Наиболее распространенным ВОТ является дифенильная смесь (Даутерм А), состоящая из 26 % дифенила и 74 % дифенилового эфира. К достоинствам дифе-нильной смеси относятся ее высокая термическая стойкость и возможность нагрева до 250 °С при атмосферном давлении. При более высоких температурах нагрева используют насыщенный пар дифенильной смеси при сравнительно небольшом давлении.

Дифенильная смесь нетоксична. Кроме дифенильной смеси в промышленности применяются другие ВОТ, например кремний-органические термостойкие жидкости с низкой температурой плавления.

В качестве высококипящих неорганических теплоносителей применяют расплавы металлов (литий, натрий, калий, их смеси и др.). Однако в пищевой промышленности они не применяются из-за их агрессивности по отношению к конструкционным материалам.

При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называется выпариванием.

Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар будем называть испарением.

В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т. д. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является насыщенным водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства.

Количество теплоты, необходимой для выпаривания,

где т — масса выпаренного растворителя, кг; г — скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как г =Др).

При этом скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.

Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Однако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Так, например, растворы красящих веществ, содержащиеся в экстрактах, полученных из растительного сырья, разлагаются при нагревании до 50. 60 °С. Аскорбиновая кислота и другие витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в растворах, при нагревании также разлагаются. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом.

Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, — это прежде всего теплообменный аппарат. За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата (рис. 14), отличающей его от любого теплообменника, является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденси-руемые газы — через патрубок 9. Раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образующийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара, подаваемого в нагревательную камеру.

Интенсивность выпаривания обусловлена интенсивностью теплопередачи и главным образом интенсивностью теплоотдачи от стенок труб к раствору. Для жидкости интенсивность теплоотдачи зависит от скорости ее движения вдоль стенки. Поэтому необходимо поддерживать интенсивную циркуляцию вязкого раствора в трубах. Для того чтобы этого добиться, в центре нагревательной камеры следует установить циркуляционную трубу 3 большого диаметра. В этой трубе раствор нагревается меньше, чем в нагревательных трубках малого диаметра 6. Следовательно, плотность раствора в циркуляционной трубе 3 выше, чем в нагревательных трубках 6. Поэтому по нагревательным трубкам раствор поднимается вверх, а по циркуляционной трубе опускается вниз. Интенсивное кипение сопровождается выделением большого числа пузырьков пара, которые, вырываясь из жидкости, увлекают за собой капли раствора. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 — устройство, расположенное в верхней части аппарата. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой.

Рис. 14. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора

Выпаривание в однокорпусной установке. Уравнение материального баланса выпаривания в однокорпусной установке имеет вид

Материальный баланс выпаривания можно представить по-другому. Используя то обстоятельство, что в процессе выпаривания количество содержащихся в растворе сухих веществ остается неизменным, можем записать

Выпаривание в многокорпусной установке. Образующийся при выпаривании в одном аппарате вторичный пар обладает достаточным запасом энергии и может быть использован в качестве греющего пара для второго аппарата, в котором выпаривание ведется при более низком давлении (Pi > р2) и более низкой температуре (t1 > t2). Количество аппаратов, объединенных в многокорпусной установке, может быть достаточно большим, но давление и температура кипения в каждом последующем аппарате должны быть всегда меньше, чем в предыдущем.

Раствор в установку может подаваться в первый корпус, обогреваемый греющим паром, а упаренный раствор отводится из последнего корпуса (рис. 15). Такая схема работы многокорпусной установки называется прямоточной. Эта схема обладает радом преимуществ: во-первых, температура кипения раствора понижается от корпуса к корпусу вместе с увеличением концентрации, что благоприятно сказывается на качестве продукта; во-вторых, выпариваемый раствор перетекает из корпуса в корпус, используя разность давления между корпусами, и, наконец, раствор приходит в последующий корпус перегретым, следовательно, наблюдается явление самоиспарения. К недостаткам этой схемы следует отнести увеличение вязкости раствора с повышением концентрации и с уменьшением температуры, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи.

При противоточной схеме работы многокорпусной выпарной установки греющий пар подается в первый корпус, а раствор — в последний. В этом случае для перекачивания раствора требуются дополнительные насосы и промежуточные подогреватели

раствора. Кроме того, наибольшему нагреву подвергается концентрированный раствор, что хотя и приводит к некоторому выравниванию вязкости, а следовательно, и к выравниванию коэффициентов теплопередачи, но часто отрицательно сказывается на качестве раствора.

При выпаривании легкокристаллизуюшихся растворов, для того чтобы избежать закупорки трубопроводов, используют схемы с параллельным питанием корпусов, когда исходный раствор подается независимо в каждый корпус, а упаренный раствор выводится независимо из каждого корпуса.

Удельный расход греющего пара для многокорпусной установки тем меньше, чем больше корпусов,

Рис. 15. Схема многокорпусной выпарной установки

Как будет показано ниже, имеется целый ряд причин, препятствующих на практике увеличению числа корпусов более 5.

Для прямоточной многокорпусной установки характерно, что вторичный пар предыдущего корпуса не может быть полностью использован для обогрева последующего. Поэтому целесообразно отобрать часть вторичного пара, который называется в этом случае экстрапаром, и направить его для других нужд производства. Таким образом, многокорпусная выпарная установка кроме повышения концентрации раствора обеспечивает предприятие греющим паром и горячей водой (конденсатом). Подобная схема работы многокорпусной выпарной установки на современных сахарных заводах может служить примером утилизации теплоты на предприятии.

Необходимость снижения давления от первого корпуса к последнему часто приводит к тому, что один или несколько последних корпусов работают при давлении ниже атмосферного — вакууме. Это уменьшает энергетический потенциал вторичного пара последнего корпуса, поэтому он направляется на конденсацию.

Факторы, влияющие на интенсивность выпаривания. Как в любом процессе теплообмена, интенсивность выпаривания зависит от интенсивности теплопередачи

Для однокорпусного аппарата движущая сила At определяется как разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора:

Температура кипения раствора зависит от давления. Но давление внутри кипящей жидкости изменяется по высоте аппарата, т. е. гидростатическое давление жидкости приводит к тому, что температура кипения в нижних слоях жидкости выше, чем в верхних, а образующийся вторичный пар имеет температуру, соответствующую давлению в соковом пространстве, т. е. ниже температуры кипения жидкости в среднем слое l кср,

На практике гидростатические температурные потери составляют 1—3 С в зависимости от конструкции аппарата.

Чтобы уменьшить влияние гидростатической депрессии, на практике стараются изготавливать аппараты с небольшой высотой столба жидкости, т. е. с большим диаметром.

Интенсивность выпаривания уменьшается также из-за физико-химической температурной депрессии ДГф х — разности между температурой кипения раствора и чистого растворителя. Эта разность зависит от давления и концентрации раствора и может достигать значительных величин. Для нормального давления разность температур кипения 60%-го сахарного раствора и воды составляет 3 °С, для 25%-го водного раствора NaCl — 7 °С, а для 50%-го раствора NaOH — 42,2 °С.

Физико-химическая и гидростатическая температурная депрессия наблюдается в каждом выпарном аппарате, в том числе и в аппаратах многокорпусной установки.

Для многокорпусной выпарной установки общая разность температур определяется как разность между температурой греющего пара, поступающего в первый корпус, и температурой кипения в последнем корпусе:

Для уменьшения гидравлических температурных потерь уменьшают длину паропроводов, располагая корпуса рядом.

Анализ работы многокорпусной установки показал, что для уменьшения удельного расхода греющего пара целесообразно увеличивать число корпусов установки. С увеличением же числа корпусов пропорционально возрастает и стоимость установки. Однако беспредельное увеличение числа корпусов приводит к уменьшению движущей силы, приходящейся на каждый корпус.

Многокорпусные выпарные установки можно компоновать из одинаковых аппаратов с равной поверхностью теплообмена F, но в этом случае полезная разность температур между корпусами распределяется неравномерно. Многокорпусную установку с аппаратами, каждый из которых имеет разную, но наименьшую в данных условиях поверхность нагрева, рассчитывают по другому принципу. В этом случае полезная разность температур для каждого корпуса одинакова. Подробно с расчетом многокорпусных установок можно познакомиться в специальной литературе.

Контрольные вопросы

1. Какие способы переноса теплоты вам известны?

2. Какой закон описывает перенос теплоты в твердом теле?

3. На какие стадии можно разделить процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому, если они разделены стенкой?

4. От каких факторов зависит величина коэффициента теплопередачи?

5. От чего зависит величина коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенке?

6. От каких факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке?

7. Какой теплоноситель массой 1 кг способен отдать наибольшее количество теплоты?

8. Как оценивается энергетическая эффективность процесса выпаривания?

9. В чем преимущества многокорпусной выпарной установки?

10. Как рассчитывается общая и полезная разность температур?

Источник

Лекция №4.. Источники тепла, топливо и теплоносители

Источники тепла, топливо и теплоносители

1. Источники теплоты и энергоснабжение предприятий общественного питания

2. Характеристика органического топлива

Ключевые слова: тепловая энергия, электроэнергия, газоснабжение, топливо, горение, горючий газ, промежуточные теплоносители.

1. Источники теплоты и энергоснабжение предприятий общественного питания

В качестве источника теплоты в тепловых аппаратах на предприятиях общественного питания используется тепловая энергия, которую получают с помощью электрического тока и органического топлива (газ, мазут, уголь и т.п.).

Снабжение предприятий общественного питания тепловой энергией осуществляется следующими путями:

— электроэнергия по электросетям

— газ по трубопроводам.

Электроэнергия на ПОП поступает от общих понижающих трансформаторных подстанций напряжением 6000 – 10000 В на трансформаторы, Расположенные неподалеку от предприятия, где напряжение трехфазного тока снижается до 400 В. Непосредственно на предприятиях применяется трехфазный ток напряжением 380 В. Качество электроэнергии определяется отклонением величин питающего напряжения от номинальных значений и колебанием частоты тока.

Передача электроэнергии от трансформаторов к электрическим приемникам осуществляется через распределительный щит по проводам и кабелям. В помещениях предприятий общественного питания применяются только изолированные провода и кабели, которые прокладываются открыто (по стенам, потолку) или скрыто (в строительных конструкциях). На распределительных щитах устанавливают счетчики электроэнергии.

Транспортирование газа от места добычи к месту потребления осуществляется по газопроводам, образующим систему газоснабжения. Система газоснабжения должна обеспечивать пропуск необходимого количества газа при допустимых потерях давления в трубопроводе, возможность подключения и отключения отдельных потребителей, а также безопасность работы системы.

В зависимости от максимально допустимого рабочего давления газа различают газовые сети низкого (0 – 2 кПа), среднего (5 – 300 кПа), высокого (300 – 600 кПа) и сверхвысокого (600 – 1200 кПа) давления. На ПОП допускается использовать газ только низкого давления.

2. Характеристика органического топлива

Топливом называются сложные органические соединения, при сгорании которых выделяется теплота.

Горением называется физико-химический процесс соединения горючих элементов с окислителем (кислородом воздуха), сопровождающийся интенсивным выделением тепловой энергии.

По способу получения топливо подразделяется на естественное и искусственное, которое в зависимости от физического состояния может быть твердым, жидким и газообразным.

Естественное твердое топливо — это антрацит, каменный и бурый уголь, сланцы, торф, дрова. Искусственное — кокс, полукокс, древесный уголь и др.

Естественным жидким топливом является нефть. При ее переработке получают бензин, керосин, мазут и др.

В качестве газообразного топлива применяются и искусственные газы, получаемые из твердого или жидкого топлива при его переработке (доменный, коксовый, сланцевый, крекинг-газ и др.). Искусственные газы непосредственно после их получения содержат сероводород, нафталин, аммиак, смолу и другие примеси, от которых их очищают на газовых заводах механическим или химическим путем.

Важнейшими характеристиками топлива являются:

Одной из характеристик топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания топлива называется коли­чество тепловой энергии, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива. Теплота сгорания различных видов топлива различна и зависит от содержания в нем горючих элементов, влаги, золы. Чем больше горючих элементов в топливе и меньше влаги и золы, тем выше теплота его сгорания.

Характеристикой топлива также является температура его воспламенения — температура, до которой должна быть разогрета часть топлива (в присутствии воздуха), чтобы затем реакция горения протекала самопроизвольно с выделением теплоты. Так, температура воспламенения водорода 580. 590°С, метана— 650. 750°С, сероводорода — 290. 300°С и т.д.

Необходимым условием горения топлива является нагревание его до температуры воспламенения (вспышки). В результате процесса горения образуются продукты сгорания, представляющие собой механическую смесь газообразных веществ. Продуктами полного сгорания топлива являются: углекислый газ, сернистый газ, водяные пары, часть кислорода, не вступившая в реакцию окисления, азот.

Создать равномерное температурное поле на жарочных поверхностях и в рабочих объемах аппаратов можно различными методами. Наиболее прост в практической реализации метод косвенного обогрева, для которого необходимы промежуточные теплоносители, т.е. среда, передающая теплоту и обеспечивающая «мягкий» обогрев пищевых продуктов в аппаратах.

— вода с температурой до 90°С,

— водяной пар с температурой до 200°С,

— органические жидкости с температурой до 300°С,

— влажный воздух с температурой до 300°С,

— топочные газы с температурой до 1000°С.

Максимальная температура продукта при ИК-нагреве обычно достигается на некоторой глубине, зависящей от структуры и влагосодержания продукта и длины волны излучения. В процессе тепловой обработки свойства поверхностных слоев продукта изменяются, что, в отличие от условий традиционного (поверхностного) нагрева, приводит к усилению поглощения ИК-энергии и интенсификации нагрева.

Аналогичный эффект вызывается образованием водяного пара в обрабатываемом продукте, интенсивно поглощающего ИК-излучение с длиной волны более 15 мкм.

Таким образом, благоприятным фактором для ИК-обработки пищевых продуктов является наличие длин волн вблизи 1 мкм в спектре используемого генератора излучения и значительного количества свободной влаги в продукте, т. е. высокого начального влагосодержания исходного продукта.

При описании закономерностей ИК-нагрева поток энергии излучения, падающий на поверхность продукта, разделяют на три слагаемых — отраженный (Qo), поглощенный (Qn) и пропущенный (Qnp) потоки:

Соотношение между этими составляющими падающего потока может быть весьма различным и зависит от структуры, влагосодержания, температуры, толщины слоя продукта и длины волны ИК-излучения.

Проницаемость некоторых пищевых продуктов для ИК-излучения при длине волны l=1,04 мкм и толщине слоя продукта 2мм:

— бифштекс рубленый 7,55%

Положительным признаком ИК-нагрева является получение равномерной по цвету и толщине корочки поджаривания. Вместе с тем этому способу присущи недостатки: не все продукты можно подвергать ИК-нагреву; при высокой плотности потока ИК-излучения возможен «ожог» продукта.

Источник

Назовите основные теплоносители применяемые в машинах для предприятий общественного питания

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Самый распространенный промышленный теплоноситель — насыщенный водяной пар, обладающий рядом замечательных свойств. Прежде всего это высокая аккумулирующая способность теплоты и высокие коэффициенты теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Так как при неизменном давлении температура конденсации постоянна, легко поддерживать постоянство температуры теплоносителя в аппарате. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температуре до 180. 190 °С и давлении до 12-105 Па. Перегретый пар редко используют в качестве теплоносителя из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.

Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды как теплоносителя следует отнести доступность и дешевизну, сравнительно высокие, но значительно меньшие, чем у конденсирующего пара, значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам этого теплоносителя относятся сравнительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

Повышение температуры воды выше 100 °С связано с резким увеличением давления, поэтому перегретая вода за редким исключением в качестве теплоносителя не используется.

Топочные газы широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000. 1100 °С при атмосферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов как теплоносителей относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.

Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) — один из распространенных промежуточных теплоносителей для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой (до 800 °С) температуре, например обжаривания кофе и какао-бобов. Масло можно нагревать до более высоких температур, как отмечалось выше, в топках печей или с помощью электрических нагревателей. Масла — сравнительно дешевые теплоносители, но обладают относительно низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, образуя на нагреваемой поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.

Выгодно отличаются от масел высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Наиболее распространенным ВОТ является дифенильная смесь (Даутерм А), состоящая из 26 % дифенила и 74 % дифенилового эфира. К достоинствам дифе-нильной смеси относятся ее высокая термическая стойкость и возможность нагрева до 250 °С при атмосферном давлении. При более высоких температурах нагрева используют насыщенный пар дифенильной смеси при сравнительно небольшом давлении.

Дифенильная смесь нетоксична. Кроме дифенильной смеси в промышленности применяются другие ВОТ, например кремний-органические термостойкие жидкости с низкой температурой плавления.

В качестве высококипящих неорганических теплоносителей применяют расплавы металлов (литий, натрий, калий, их смеси и др.). Однако в пищевой промышленности они не применяются из-за их агрессивности по отношению к конструкционным материалам.

При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называется выпариванием.

Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар будем называть испарением.

В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т. д. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является насыщенным водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства.

Количество теплоты, необходимой для выпаривания,

где т — масса выпаренного растворителя, кг; г — скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как г =Др).

При этом скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.

Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Однако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Так, например, растворы красящих веществ, содержащиеся в экстрактах, полученных из растительного сырья, разлагаются при нагревании до 50. 60 °С. Аскорбиновая кислота и другие витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в растворах, при нагревании также разлагаются. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом.

Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, — это прежде всего теплообменный аппарат. За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата (рис. 14), отличающей его от любого теплообменника, является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденси-руемые газы — через патрубок 9. Раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образующийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара, подаваемого в нагревательную камеру.

Интенсивность выпаривания обусловлена интенсивностью теплопередачи и главным образом интенсивностью теплоотдачи от стенок труб к раствору. Для жидкости интенсивность теплоотдачи зависит от скорости ее движения вдоль стенки. Поэтому необходимо поддерживать интенсивную циркуляцию вязкого раствора в трубах. Для того чтобы этого добиться, в центре нагревательной камеры следует установить циркуляционную трубу 3 большого диаметра. В этой трубе раствор нагревается меньше, чем в нагревательных трубках малого диаметра 6. Следовательно, плотность раствора в циркуляционной трубе 3 выше, чем в нагревательных трубках 6. Поэтому по нагревательным трубкам раствор поднимается вверх, а по циркуляционной трубе опускается вниз. Интенсивное кипение сопровождается выделением большого числа пузырьков пара, которые, вырываясь из жидкости, увлекают за собой капли раствора. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 — устройство, расположенное в верхней части аппарата. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой.

Рис. 14. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора

Выпаривание в однокорпусной установке. Уравнение материального баланса выпаривания в однокорпусной установке имеет вид

Материальный баланс выпаривания можно представить по-другому. Используя то обстоятельство, что в процессе выпаривания количество содержащихся в растворе сухих веществ остается неизменным, можем записать

Выпаривание в многокорпусной установке. Образующийся при выпаривании в одном аппарате вторичный пар обладает достаточным запасом энергии и может быть использован в качестве греющего пара для второго аппарата, в котором выпаривание ведется при более низком давлении (Pi > р2) и более низкой температуре (t1 > t2). Количество аппаратов, объединенных в многокорпусной установке, может быть достаточно большим, но давление и температура кипения в каждом последующем аппарате должны быть всегда меньше, чем в предыдущем.

Раствор в установку может подаваться в первый корпус, обогреваемый греющим паром, а упаренный раствор отводится из последнего корпуса (рис. 15). Такая схема работы многокорпусной установки называется прямоточной. Эта схема обладает радом преимуществ: во-первых, температура кипения раствора понижается от корпуса к корпусу вместе с увеличением концентрации, что благоприятно сказывается на качестве продукта; во-вторых, выпариваемый раствор перетекает из корпуса в корпус, используя разность давления между корпусами, и, наконец, раствор приходит в последующий корпус перегретым, следовательно, наблюдается явление самоиспарения. К недостаткам этой схемы следует отнести увеличение вязкости раствора с повышением концентрации и с уменьшением температуры, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи.

При противоточной схеме работы многокорпусной выпарной установки греющий пар подается в первый корпус, а раствор — в последний. В этом случае для перекачивания раствора требуются дополнительные насосы и промежуточные подогреватели

раствора. Кроме того, наибольшему нагреву подвергается концентрированный раствор, что хотя и приводит к некоторому выравниванию вязкости, а следовательно, и к выравниванию коэффициентов теплопередачи, но часто отрицательно сказывается на качестве раствора.

При выпаривании легкокристаллизуюшихся растворов, для того чтобы избежать закупорки трубопроводов, используют схемы с параллельным питанием корпусов, когда исходный раствор подается независимо в каждый корпус, а упаренный раствор выводится независимо из каждого корпуса.

Удельный расход греющего пара для многокорпусной установки тем меньше, чем больше корпусов,

Рис. 15. Схема многокорпусной выпарной установки

Как будет показано ниже, имеется целый ряд причин, препятствующих на практике увеличению числа корпусов более 5.

Для прямоточной многокорпусной установки характерно, что вторичный пар предыдущего корпуса не может быть полностью использован для обогрева последующего. Поэтому целесообразно отобрать часть вторичного пара, который называется в этом случае экстрапаром, и направить его для других нужд производства. Таким образом, многокорпусная выпарная установка кроме повышения концентрации раствора обеспечивает предприятие греющим паром и горячей водой (конденсатом). Подобная схема работы многокорпусной выпарной установки на современных сахарных заводах может служить примером утилизации теплоты на предприятии.

Необходимость снижения давления от первого корпуса к последнему часто приводит к тому, что один или несколько последних корпусов работают при давлении ниже атмосферного — вакууме. Это уменьшает энергетический потенциал вторичного пара последнего корпуса, поэтому он направляется на конденсацию.

Факторы, влияющие на интенсивность выпаривания. Как в любом процессе теплообмена, интенсивность выпаривания зависит от интенсивности теплопередачи

Для однокорпусного аппарата движущая сила At определяется как разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора:

Температура кипения раствора зависит от давления. Но давление внутри кипящей жидкости изменяется по высоте аппарата, т. е. гидростатическое давление жидкости приводит к тому, что температура кипения в нижних слоях жидкости выше, чем в верхних, а образующийся вторичный пар имеет температуру, соответствующую давлению в соковом пространстве, т. е. ниже температуры кипения жидкости в среднем слое l кср,

На практике гидростатические температурные потери составляют 1—3 С в зависимости от конструкции аппарата.

Чтобы уменьшить влияние гидростатической депрессии, на практике стараются изготавливать аппараты с небольшой высотой столба жидкости, т. е. с большим диаметром.

Интенсивность выпаривания уменьшается также из-за физико-химической температурной депрессии ДГф х — разности между температурой кипения раствора и чистого растворителя. Эта разность зависит от давления и концентрации раствора и может достигать значительных величин. Для нормального давления разность температур кипения 60%-го сахарного раствора и воды составляет 3 °С, для 25%-го водного раствора NaCl — 7 °С, а для 50%-го раствора NaOH — 42,2 °С.

Физико-химическая и гидростатическая температурная депрессия наблюдается в каждом выпарном аппарате, в том числе и в аппаратах многокорпусной установки.

Для многокорпусной выпарной установки общая разность температур определяется как разность между температурой греющего пара, поступающего в первый корпус, и температурой кипения в последнем корпусе:

Для уменьшения гидравлических температурных потерь уменьшают длину паропроводов, располагая корпуса рядом.

Анализ работы многокорпусной установки показал, что для уменьшения удельного расхода греющего пара целесообразно увеличивать число корпусов установки. С увеличением же числа корпусов пропорционально возрастает и стоимость установки. Однако беспредельное увеличение числа корпусов приводит к уменьшению движущей силы, приходящейся на каждый корпус.

Многокорпусные выпарные установки можно компоновать из одинаковых аппаратов с равной поверхностью теплообмена F, но в этом случае полезная разность температур между корпусами распределяется неравномерно. Многокорпусную установку с аппаратами, каждый из которых имеет разную, но наименьшую в данных условиях поверхность нагрева, рассчитывают по другому принципу. В этом случае полезная разность температур для каждого корпуса одинакова. Подробно с расчетом многокорпусных установок можно познакомиться в специальной литературе.

Контрольные вопросы

1. Какие способы переноса теплоты вам известны?

2. Какой закон описывает перенос теплоты в твердом теле?

3. На какие стадии можно разделить процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому, если они разделены стенкой?

4. От каких факторов зависит величина коэффициента теплопередачи?

5. От чего зависит величина коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенке?

6. От каких факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке?

7. Какой теплоноситель массой 1 кг способен отдать наибольшее количество теплоты?

8. Как оценивается энергетическая эффективность процесса выпаривания?

9. В чем преимущества многокорпусной выпарной установки?

10. Как рассчитывается общая и полезная разность температур?

Источник