Il riscaldamento nelle industrie chimiche e correlate viene utilizzato per accelerare le reazioni chimiche, nonché per eseguire e intensificare una serie di processi idrodinamici, termici e di trasferimento di massa.

A seconda della temperatura e delle altre condizioni del processo per ciascuno di essi, viene scelto un metodo di riscaldamento più giustificato in termini tecnologici ed economici.

I metodi di riscaldamento più utilizzati sono i seguenti: vapore e acqua calda, gas di combustione, vettori di calore ad alta temperatura e corrente elettrica.

1. Riscaldamento con vapore e acqua calda

Per il riscaldamento viene utilizzato prevalentemente vapore saturo, i cui principali vantaggi sono:

– elevato calore di condensazione, numericamente uguale al calore di evaporazione;

– elevato coefficiente di scambio termico dal vapore condensante alla superficie di scambio termico;

- uniformità del riscaldamento, poiché la condensazione del vapore avviene a temperatura costante;

– la possibilità di trasmissione su lunghe distanze senza mezzi di trasporto.

Il principale svantaggio del vapore acqueo è il rapido aumento della pressione all'aumentare della temperatura, che porta ad un aumento del costo delle apparecchiature dovuto alla necessità di aumentarne la forza. Pertanto, le temperature alle quali il riscaldamento può essere eseguito in condizioni industriali di solito non superano 180–190 С, che corrisponde a una pressione di vapore di 1,0–1,5 MPa.

Figura 8.1 - Dispositivo per il riscaldamento del liquido con vapore "caldo": 1 - vasca; 2 - tubo del vapore; 3 - valvola di intercettazione; 4 - valvola di ritegno; 5 - valvola di spurgo

Riscaldamento a vapore caldo. Il metodo più semplice di riscaldamento è l'immissione di vapore direttamente nel mezzo (liquido) da riscaldare. In questo caso, il vapore condensa e cede calore al mezzo riscaldato e la condensa risultante si mescola con esso. Tale vapore è chiamato "acuto". L'apparato più semplice per riscaldare un liquido con vapore "caldo" è mostrato in Fig. 8.1.

Figura 8.2 - Gorgogliatore di vapore: 1 - vasca; 2 - gorgogliatore; 3 - conduttura del vapore; 4 - valvola di intercettazione

Per il riscaldamento e la miscelazione simultanei del liquido, il vapore viene introdotto attraverso un gorgogliatore, un tubo con una serie di piccoli fori. Il gorgogliatore è posizionato sul fondo del serbatoio a forma di spirale (Fig. 8.2) o anelli.

Le valvole di ritegno sono installate sul tubo del vapore (Fig. 8.1), che immettono vapore nell'apparato, ma trattengono il liquido che sale dall'apparato quando la pressione nella condotta del vapore è inferiore alla pressione nell'apparato. Per evitare l'introduzione di quantità eccessive di acqua nel liquido riscaldato, sul tubo del vapore sono installate valvole di spurgo, attraverso le quali la condensa accumulata nel tubo viene rimossa prima del riscaldamento.

Se riscaldato con vapore "caldo", il liquido riscaldato viene inevitabilmente diluito con condensa - acqua. Di solito questo metodo viene utilizzato per riscaldare acqua e soluzioni acquose.

Consumo di vapore "affilato". D determinato dal bilancio termico:

dove
,(8.1)

dove G, C, T n - portata, capacità termica specifica e temperatura iniziale del liquido riscaldato; T k è la temperatura finale della miscela di liquido riscaldato e condensato, λ è l'entalpia del vapore; C k è la capacità termica specifica della condensa.

Riscaldamento con vapore "sordi".. Se per motivi tecnologici l'utilizzo del vapore "caldo" è inaccettabile, si ricorre al riscaldamento con vapore "sordi". In questo caso, il liquido viene riscaldato dal vapore attraverso la parete che li separa.

Il vapore "sordo" di riscaldamento viene completamente condensato e rimosso dallo spazio vapore dello scambiatore di calore sotto forma di condensa. La temperatura della condensa con sufficiente precisione può essere assunta uguale alla temperatura del vapore saturo di riscaldamento. Con questa ipotesi, il trasferimento di calore avviene a temperatura costante di uno dei vettori di calore e la direzione reciproca del movimento del liquido e del vapore non ha importanza. Tuttavia, il vapore viene solitamente fornito allo scambiatore di calore dall'alto in modo che la condensa possa fluire liberamente dall'alto verso il basso ed essere rimossa dal dispositivo.

Il consumo di vapore "sordi" è determinato dal bilancio termico:

, (8.2)

dove T cond - temperatura di condensa.

Per le normali condizioni di funzionamento degli scambiatori di calore riscaldati dal vapore acqueo, è necessario rimuovere continuamente la condensa dagli stessi. In questo caso non deve essere consentita la perdita di vapore non condensato con condensa in uscita dall'apparecchio.

Scarico condensa e gas incondensabili prodotto con l'ausilio di dispositivi speciali - trappole di vapore. Il loro lavoro si basa sull'utilizzo della differenza di densità di vapore e condensa.

Scaricatori di condensa a galleggiante chiusi(Fig. 8.3, un) viene utilizzato a una tensione di vapore superiore a 1 MPa. Quando la condensa entra nell'alloggiamento 3, il galleggiante 2 si solleva aprendo la valvola 1 per rimuovere la condensa. Con lo scarico della condensa il galleggiante scende e la valvola chiude lo scarico.

Con un flusso continuo di condensa, la valvola si apre secondo un flusso costante. La posizione verticale del galleggiante con la valvola è fissata dall'asta 4 e dalla coppa guida 5.

Figura 8.3 - Scaricatori di condensa: un- con galleggiante chiuso; B- con galleggiante aperto; 1 - valvola; 2 - galleggiante; 3 - corpo; 4 - asta; 5 - tazza guida

Aprire gli scaricatori di condensa galleggianti(Fig. 8.3, B) azione periodica. La condensa entra nell'alloggiamento e lo riempie. In questo caso, il galleggiante, realizzato a forma di bicchiere, si apre e chiude l'uscita con l'aiuto di una valvola. La valvola è fissata al vetro con un'asta. Con un ulteriore afflusso di condensa, inizia a traboccare oltre i bordi del galleggiante e lo riempie. Con un certo riempimento del galleggiante di condensa, si abbassa e la valvola apre un foro attraverso il quale viene scaricata la condensa.

A una portata di vapore costante e, di conseguenza, a una velocità di rimozione della condensa costante, vengono utilizzati scaricatori di condensa più semplici. Tale scaricatore di condensa è una rondella di ritegno, che è un disco con uno o più fori con un diametro fino a 5-6 mm. Una rondella aggiuntiva con un foro più grande o una rete è installata davanti al disco per evitare l'intasamento del foro della rondella con sabbia, scaglie, ecc. Il funzionamento dell'idropulitrice si basa sul fatto che a basse pressioni fino a 0,7 MPa, passa vapore trascurabile rispetto alla portata della condensa.

Un filtro di ritenzione funziona come una rondella di ritenzione. Qui, il ruolo del disco è svolto da uno strato di sabbia o ghiaia, versato sulla griglia. A seconda della granulometria dello strato filtrante, la sua altezza viene scelta in modo tale che le prestazioni corrispondano strettamente alla quantità di condensa scaricata.

Figura 8.4 - Schema di installazione dello scaricatore di condensa: 1 - scambiatore di calore; 2 - valvola di sfiato; 3 - scarico condensa; 4, 5, 6 - valvole di intercettazione; 7 - linea di bypass

Gli scaricatori di condensa sono installati almeno 0,5 m al di sotto del punto in cui viene scaricata la condensa dallo spazio dello scambiatore di calore. Per garantire il funzionamento continuo dell'apparato durante la riparazione e l'ispezione degli scaricatori di condensa, sono dotati di una linea di bypass (Fig. 8.4).

Se riscaldati con vapore "sordi", i gas non condensabili si accumulano nello spazio del vapore dello scambiatore di calore, principalmente aria che entra nell'apparecchio insieme al vapore. A causa della presenza di gas nello spazio del vapore, il coefficiente di trasferimento del calore durante la condensazione del vapore è notevolmente ridotto, quindi i gas vengono periodicamente rimossi con uno spurgo attraverso un raccordo con una valvola prevista a tale scopo nell'apparato.

Il riscaldamento con acqua calda viene utilizzato molto meno frequentemente che con il vapore, poiché ha un coefficiente di scambio termico inferiore, una temperatura inferiore alle basse pressioni e si raffredda durante il trasferimento di calore (riscaldamento irregolare). Viene utilizzato per il riscaldamento a temperature inferiori a 100°C. Di norma, le acque reflue o il condensato di vapore servono a questo scopo.

CONFERENZA 10

RISCALDAMENTO, EVAPORAZIONE, RAFFREDDAMENTO E CONDENSA

10.1. IL RISCALDAMENTO

il riscaldamento Viene chiamato il processo di aumento della temperatura dei materiali fornendo loro calore. I metodi di riscaldamento diffusi nella tecnologia alimentare sono il riscaldamento con acqua calda o altri fluidi termovettori, vapore saturo, gas di combustione e corrente elettrica.

Per questi scopi vengono utilizzati scambiatori di calore di vari modelli.

Riscaldamento con acqua utilizzato per aumentare la temperatura e pastorizzare i prodotti alimentari a temperature inferiori a 100 0C. Per il riscaldamento a temperature superiori a 100 ° C, viene utilizzata acqua surriscaldata sotto pressione eccessiva. L'acqua è un refrigerante conveniente ed economico, non corrosivo con elevata capacità termica e coefficiente di trasferimento del calore. Solitamente, il riscaldamento con acqua viene effettuato attraverso la parete dell'apparecchio che separa il vettore di calore e il prodotto.

Quando viene riscaldato con acqua o altri liquidi, come olio, vettori di calore organici, viene spesso utilizzato il metodo di riscaldamento a circolazione. Secondo questo metodo, l'acqua calda (o altro liquido di raffreddamento) circola tra il riscaldatore e lo scambiatore di calore, in cui emette calore. La circolazione può essere naturale o forzata. La circolazione naturale si verifica a causa della differenza di densità dei refrigeranti caldi e freddi.

Più efficiente è il metodo di riscaldamento a circolazione forzata, che viene effettuato mediante una pompa.

Per riscaldare le serre durante la coltivazione di cetrioli, pomodori e altre verdure, viene utilizzata l'acqua calda, che è lo scarto degli impianti di produzione che utilizzano il calore.

Un altro metodo di riscaldamento con liquidi caldi è il riscaldamento con bagni riscaldanti, che sono apparecchi incamiciati. La camicia è riscaldata da fumi, riscaldamento elettrico o vapore saturo ad alta pressione fornito alla batteria.

Tra i liquidi organici altobollenti, per creare alte temperature vengono utilizzati oli minerali (fino a 250 ... 300 ° C), tetraclorobifenile (fino a 300 ° C), glicerina, composti organosilicio, ecc.. Il più comune è il miscela difenile, che viene utilizzata per il riscaldamento con il metodo di circolazione , nonché per il riempimento di bagni di riscaldamento. Il coefficiente di scambio termico per una miscela di difenile liquido in condizioni di circolazione naturale è 200...350 W/(m2*K). La miscela difenile fornisce riscaldamento fino a 260...400 °C.

Il consumo di acqua o altro refrigerante per il riscaldamento è determinato dal bilancio termico

dove: Gw e Gp sono le portate massiche rispettivamente di acqua e prodotto, kg/h; sv e cn sono le capacità termiche dell'acqua e del prodotto, rispettivamente, kJ/(kg*K) e https://pandia.ru/text/78/268/images/image004_33.gif" width="142" height= "54"> (10.2)

Riscaldamento con vapore acqueo saturo si è diffuso, il che si spiega con i suoi seguenti vantaggi: una grande quantità di calore rilasciata durante la condensazione del vapore acqueo (2024 ... 2264 kJ per 1 kg di vapore di condensazione a pressioni assolute di 0,1 ... 1,0 MPa, rispettivamente) ; elevato coefficiente di scambio termico dal vapore condensante alla parete - circa kJ/(m2*h*K); uniformità di riscaldamento.

Se riscaldato con vapore acqueo saturo, vengono utilizzati due metodi: riscaldamento con vapore saturo "sordi" e vapore "caldo".

Quando riscaldato da vapore "sordi", il calore dal vapore acqueo saturo di condensazione al refrigerante riscaldato viene trasferito attraverso la parete che li separa. Il vapore "sordi" di riscaldamento condensa e viene rimosso dallo spazio del vapore dello scambiatore di calore sotto forma di condensa. In questo caso si assume la temperatura della condensa pari alla temperatura del vapore saturo di riscaldamento.

La portata massica del vapore (in kg/h) durante il riscaldamento del liquido è determinata dal bilancio termico

https://pandia.ru/text/78/268/images/image006_22.gif" width="133" height="40"> (10.4)

dove: D è la portata massica del vapore, kg/h; G è la portata massica del liquido, kg/h; c è la capacità termica specifica del liquido, kJ/(kg*K); tн e tк ​​sono le temperature iniziale e finale del liquido, rispettivamente, 0С; - entalpie specifiche del vapore di riscaldamento e della condensa, rispettivamente, kJ/h.

Affinché il vapore sia completamente condensato nello spazio vapore dello scambiatore di calore, sulla linea di uscita della condensa sono installati scaricatori di condensa di vario tipo (Fig. 10.1). Lo scaricatore di condensa consente il passaggio della condensa, ma non del vapore, quindi il vapore viene completamente condensato nello spazio vapore dello scambiatore di calore, il che porta a notevoli risparmi.

Riso. 10.1. Schema di installazione dello scaricatore di condensa:

1 - scambiatore di calore; 2 - valvola di spurgo; 3 - scarico condensa; 4 - valvole; 5 - linea di uscita

Se riscaldato con vapore "caldo", il vapore acqueo viene introdotto direttamente nel liquido riscaldato. Il vapore condensa e cede calore al liquido riscaldato e la condensa si mescola con il liquido. Il vapore viene introdotto attraverso un gorgogliatore, che in molti casi è un tubo forato, piegato a spirale di Archimede oa cerchio. L'ingresso del vapore attraverso il gorgogliatore provvede, contestualmente al riscaldamento del liquido, alla sua miscelazione con il vapore.

Il consumo di vapore "caldo" è determinato dal bilancio termico

https://pandia.ru/text/78/268/images/image010_16.gif" width="112" height="55 src="> (10.6)

Il riscaldamento con vapore "caldo" viene utilizzato nei casi in cui è consentito diluire il mezzo riscaldato con acqua. Questo metodo viene spesso utilizzato per riscaldare acqua e soluzioni acquose.

Riscaldamento a fumi, formatosi durante la combustione di combustibili solidi, liquidi o gassosi in appositi forni, viene utilizzato, ad esempio, per riscaldare gli essiccatori.

Gli svantaggi del riscaldamento con fumi sono: basso coefficiente di scambio termico pari a 60...120 kJ/(m2*h*K), notevoli differenze di temperatura e riscaldamento non uniforme; complessità del controllo della temperatura; l'ossidazione delle pareti dell'apparecchio, nonché la presenza di prodotti di combustione nocivi, che rende inaccettabile l'utilizzo dei gas di combustione per riscaldare i prodotti alimentari a diretto contatto con essi.

Oltre ai gas di combustione ottenuti in un forno speciale, vengono utilizzati anche gas di scarico di forni, caldaie, ecc. Con una temperatura di 300 ... 500 ° C. L'uso dei gas di scarico non richiede un consumo aggiuntivo di carburante, quindi il loro utilizzo per il riscaldamento è molto razionale.

Riscaldamento elettrico effettuata in forni elettrici a resistenza ad azione diretta ed indiretta.

Nei forni ad azione diretta, il corpo si riscalda quando viene attraversato da una corrente elettrica.

Il riscaldamento mediante correnti ad alta frequenza si basa sul fatto che quando si applica una corrente elettrica alternata a un dielettrico, le molecole del dielettrico entrano in moto oscillatorio, mentre parte dell'energia viene spesa per vincere l'attrito tra le molecole del dielettrico e si trasforma in calore, riscaldando il corpo. La quantità di calore rilasciata è proporzionale al quadrato della tensione e alla frequenza della corrente. Tipicamente, viene utilizzata una frequenza di corrente di 1 * 106 Hz.

Per ottenere correnti ad alta frequenza vengono utilizzati generatori di vari modelli.

Vantaggi del riscaldamento dielettrico: rilascio diretto di calore nel corpo riscaldato; riscaldamento rapido uniforme dell'intera massa di materiale alla temperatura richiesta; facilità di controllo del processo.

Nei forni indiretti, il calore viene rilasciato quando una corrente elettrica passa attraverso gli elementi riscaldanti. Il calore rilasciato in questo processo viene trasferito al materiale per irraggiamento termico, conducibilità termica e convezione.

La quantità di calore che deve essere fornita nel processo di riscaldamento con corrente elettrica è determinata dal bilancio termico

https://pandia.ru/text/78/268/images/image012_16.gif" width="20" height="24">- la quantità di calore rilasciata nel dispositivo elettrico di riscaldamento durante il passaggio della corrente elettrica, kJ /h; G è la quantità di prodotto lavorato nell'apparecchiatura riscaldata, kg/h; c è la capacità termica specifica del prodotto in lavorazione, kJ/(kg*K); e - rispettivamente, la temperatura iniziale e finale di il prodotto in lavorazione, 0°C; - dispersione termica nell'ambiente, kJ/h.

Dall'equazione (10.7)

(10.8)

Potenza elemento riscaldante (in kW)

10.2. EVAPORAZIONE

Evaporazione- il processo di conversione di un liquido in vapore applicandogli calore. L'evaporazione più efficiente dei liquidi avviene durante l'ebollizione. L'evaporazione nella tecnologia alimentare viene utilizzata per raffreddare e desalinizzare l'acqua, per concentrare soluzioni, come lo zucchero e per separare miscele liquide. L'evaporazione avviene negli evaporatori.

I dispositivi utilizzati per la dissalazione dell'acqua sono chiamati dissalatori, per aumentare la concentrazione di soluzioni - evaporatori.

Consumo di calore per evaporazione (in kJ)

D=Wr ( 10.10)

dove: W è la massa del liquido evaporato, kg; r è il calore di vaporizzazione, kJ/kg.

Ad esempio, per far evaporare 1 kg di acqua a pressione atmosferica, dovrebbero essere spesi 2264 kJ.

10.3. CONDENSAZIONE

Condensazione- il passaggio di una sostanza da uno stato vapore o gassoso a uno stato liquido sottraendogli calore. La condensa si verifica nei condensatori.

I processi di condensazione sono ampiamente utilizzati nella tecnologia alimentare per liquefare varie sostanze.

La condensazione può essere effettuata rimuovendo il calore dalle sostanze condensate con l'aiuto di un liquido di raffreddamento separato da una parete o miscelando direttamente i vapori condensati con il liquido di raffreddamento - acqua. Nel primo caso avviene la condensazione superficiale, nel secondo la condensazione per miscelazione.

La quantità di calore rilasciata durante la condensazione è determinata dalla formula Q=Dr, dove D è la massa del vapore di condensazione, kg; g - calore di condensazione, kJ/kg. Ad esempio, quando 1 kg di vapore acqueo condensa a pressione atmosferica, vengono rilasciati 2264 kJ.

Condensazione superficiale realizzata in scambiatori di calore detti condensatori di superficie.

Considera il processo di condensazione del vapore surriscaldato con l'acqua. Bilancio termico del processo

dove: D è la portata massica di vapore in ingresso al condensatore, kg/h; io– entalpia specifica del vapore, kJ/kg; sv, sk sono rispettivamente le capacità termiche specifiche dell'acqua e della condensa, kJ/(kg*K); ,https://pandia.ru/text/78/268/images/image021_9.gif" width="27" height="31 src="> – perdita di calore nell'ambiente, kJ/h.

Da qui troviamo la portata massica dell'acqua di raffreddamento (in kg/h)

( 10.12)

Entalpia specifica del vapore surriscaldato in ingresso (in kJ/kg)

dove: - capacità termica specifica del vapore surriscaldato, kJ/(kg*K); - temperatura del vapore surriscaldato in ingresso, 0°C; https://pandia.ru/text/78/268/images/image027_8.gif" width="12" height="23">La superficie di scambio termico del condensatore viene calcolata separatamente per tre zone: vapore surriscaldato zona di raffreddamento F1, zona di condensazione F2 e zone F3 di raffreddamento a condensazione: Ftotal = F1 + F2 + F3 La superficie di ciascuna zona è determinata dall'equazione di scambio termico di base (10.1).

Condensa durante la miscelazione dei refrigeranti effettuata in condensatori a umido ea secco.

Nei condensatori a umido, l'acqua di raffreddamento, la condensa ei gas non condensabili come l'aria vengono rimossi dal fondo del condensatore mediante una pompa ad aria umida.

Nei condensatori a secco l'acqua di raffreddamento, insieme alla condensa, viene scaricata dalla parte inferiore e l'aria viene aspirata da una pompa a vuoto dalla parte superiore del condensatore.

I condensatori a umido e a secco sono divisi in flusso diretto e controcorrente.

10.4. RAFFREDDAMENTO A TEMPERATURE ORDINARIE

Raffreddamento- il processo di abbassamento della temperatura dei materiali rimuovendo il calore da essi.

L'acqua e l'aria sono utilizzate nella tecnologia alimentare per raffreddare gas, vapori e liquidi a 15...20 °C. Per raffreddare i prodotti a basse temperature, vengono utilizzati refrigeranti a bassa temperatura: salamoie frigorifere, freon (freon), ammoniaca, anidride carbonica, ecc.

In questa sezione, consideriamo il raffreddamento a temperature normali.

Raffreddamento ad acqua viene effettuato in scambiatori di calore in cui i vettori di calore sono separati da una parete o scambiano calore quando miscelati. Ad esempio, i gas vengono raffreddati spruzzando acqua al loro interno.

Per il raffreddamento viene utilizzata acqua normale con una temperatura di 15 ... 25 ° C o acqua artesiana con una temperatura di 8 ... 12 0 C. Al fine di risparmiare acqua dolce, l'acqua di ricircolo viene spesso utilizzata per il raffreddamento, raffreddata dalla sua evaporazione nelle torri di raffreddamento. L'acqua in circolazione ha una temperatura che raggiunge i 30 °C in estate.

La portata massica dell'acqua per il raffreddamento W (in kg/h) è determinata dal bilancio termico

(10.14)

( 10.15)

dove: G è la portata massica del liquido di raffreddamento raffreddato, kg/h; s, sv sono le capacità termiche specifiche rispettivamente del liquido di raffreddamento e dell'acqua, kJ/(kg*K); tн, tк - rispettivamente, la temperatura iniziale e finale del liquido di raffreddamento, 0С; , - rispettivamente, le temperature iniziali e finali dell'acqua di raffreddamento, 0С; Qp – dispersione termica nell'ambiente, kJ/h.

Raffreddamento a ghiaccio utilizzato per raffreddare alcuni prodotti, come il gelato, a una temperatura prossima allo zero. Il ghiaccio, cedendo calore, si scalda fino a 0°C e si scioglie sottraendo calore al prodotto raffreddato. I dati sperimentali vengono utilizzati per determinare la durata del raffreddamento.

Con il raffreddamento diretto (ad esempio liquidi con ghiaccio), il freddo viene introdotto con ghiaccio

dove: L è la massa del ghiaccio, kg; Rè il calore di scioglimento del ghiaccio, (kJ/kg); accettare R tenendo conto del suo superraffreddamento di 1 ... 3 0С pari a 335 kJ / kg.

Il calore viene introdotto con il liquido raffreddato nella quantità

Qzh \u003d Gctn (10.17)

dove: G è la massa del liquido raffreddato, kg; c è la capacità termica specifica del liquido, kJ/(kg*K); tn è la temperatura iniziale del liquido, 0С.

Prendiamo la temperatura finale del liquido raffreddato e dell'acqua formata durante lo scioglimento del ghiaccio, tk. Quindi il bilancio termico può essere scritto come segue:

dove: sv è la capacità termica specifica dell'acqua, kJ / (kg * K).

Da qui il consumo di ghiaccio

Aria condizionata svolta in modo naturale e artificiale. Con il raffreddamento naturale, il prodotto caldo viene raffreddato a causa della dispersione di calore nello spazio circostante. Il raffreddamento naturale è più efficace in inverno quando la temperatura dell'aria è bassa.

Il raffreddamento ad aria artificiale viene utilizzato per raffreddare l'acqua nelle torri di raffreddamento, in cui l'acqua raffreddata scorre dall'alto verso il basso verso l'aria fornita dal basso. In questo caso il raffreddamento avviene non solo per trasferimento di calore, ma in larga misura per evaporazione di parte del liquido.

10.5. RAFFREDDAMENTO A TEMPERATURE INFERIORI ALLA TEMPERATURA

AMBIENTE

I frigoriferi sono utilizzati per il raffreddamento, il congelamento e la conservazione di alimenti a temperature inferiori a quella ambiente (da +4 a -40 °C). Il raffreddamento nei frigoriferi viene effettuato da macchine frigorifere.

Per ottenere il freddo nelle macchine frigorifere si utilizza un ciclo termodinamico circolare inverso, costituito dai processi di compressione, condensazione ed evaporazione dei gas.

Secondo la seconda legge della termodinamica, il raffreddamento a temperature inferiori alla temperatura ambiente, che è associato al trasferimento di calore da un livello di temperatura inferiore a uno superiore, è possibile solo con il dispendio di energia. Tale trasferimento di calore viene effettuato secondo il ciclo di Carnot inverso.

Il bilancio energetico del ciclo di Carnot diretto è espresso dall'equazione

secondo il quale, quando il calore passa da un livello di temperatura più alto T ad un livello di temperatura inferiore T 0 lavoro svolto l e il calore Q0 viene conservato a bassa temperatura.

Riso. 10.2 Ciclo di Carnot inverso:

quadrato l numericamente uguale al lavoro svolto; Q0 - capacità di raffreddamento

Si consideri il ciclo di Carlo inverso (Figura 10.2). Un fluido di lavoro gassoso con una temperatura T0 viene compresso adiabaticamente con il dispendio di lavoro, mentre si riscalda fino a una temperatura T. Questo processo è rappresentato da una linea verticale 1 - 2. Dopo la compressione, il gas viene condensato isotermicamente a una temperatura T ( linea 2 - 3), emettendo calore Q, e quindi il liquido formato si espande adiabaticamente. Durante l'espansione, il liquido viene raffreddato a una temperatura T0 (linea 3 - 4), mentre svolge un lavoro utile, dopodiché evapora a una temperatura T0 (linea 4 - 1) a pressione ridotta, prelevando calore Q0 dall'oggetto raffreddato.

Lavoro utile del gas secondo l'equazione (10.20)

https://pandia.ru/text/78/268/images/image035_3.gif" width="197" height="24 src=">(10.22)

Sostituendo i valori di Q e Q0 nell'espressione precedente, otteniamo

https://pandia.ru/text/78/268/images/image037_3.gif" width="156" height="38 src="> (10.24)

mostra quanto calore Q0 può essere trasferito dal livello di temperatura più basso T0 al livello T più alto a causa dell'unità di lavoro spesa L. Il calore Q0 è chiamato capacità di raffreddamento della macchina frigorifera.

Sulla fig. 10.3 mostra i diagrammi dello stato dell'aria nelle coordinate T - s. Le linee del liquido e del vapore convergono nel punto Tcr, che è la temperatura critica. Nella regione b - Tcr - a, situata a sinistra della curva, c'è un liquido. La regione b-Tcr - c, situata sotto la curva, è la regione di coesistenza di vapore e liquido, e la regione un- T kr - s sopra ea destra della curva corrisponde lo stato del gas o del vapore surriscaldato.

Riso. 10.3. T- S - diagramma per l'aria

10.6. PROCESSI IN MACCHINE REFRIGERANTI

Per il raffreddamento artificiale dei gas vengono utilizzate le seguenti macchine frigorifere: a compressione di vapore e gas, ad assorbimento, vapore-acqua, eiettore e termoelettrico.

Nelle macchine frigorifere, i prodotti possono essere raffreddati direttamente con un refrigerante o con l'ausilio di refrigeranti intermedi che rimuovono il calore dagli oggetti di raffreddamento situati all'esterno della macchina refrigerante e lo danno al refrigerante.

Quando si utilizzano refrigeranti, l'evaporatore della macchina di refrigerazione viene collocato in un contenitore riempito di refrigerante - salamoia. Come risultato dell'evaporazione del refrigerante, la salamoia viene raffreddata a una temperatura predeterminata e pompata nella tubazione comune, dalla quale viene distribuita dalla pompa agli elementi di raffreddamento del frigorifero. La salamoia esaurita viene raccolta in una condotta comune e reimmessa per il raffreddamento in un contenitore.

Per il raffreddamento a temperature non inferiori a -15 °C viene utilizzata una soluzione di cloruro di sodio.

V macchine frigorifere a compressione di vapore-gas utilizzare ammoniaca, freon (freon), anidride carbonica. Il principio di funzionamento di queste macchine si basa sulla compressione del refrigerante da parte di un compressore e sulla condensazione del gas compresso.

Nelle macchine frigorifere che lavorano con ammoniaca e freon, non è necessario creare pressioni elevate. A differenza dell'ammoniaca, i freon non hanno un odore irritante per il rinofaringe e sono a prova di esplosione. Tali macchine vengono utilizzate per il raffreddamento fino a - 80 °C.

Lo schema della macchina a compressione di vapore è mostrato in fig. 10.4. È costituito da un compressore Km, condensatore, valvola di espansione B, evaporatore E. Il refrigerante circolante nella macchina (Fig. 10.5) viene compresso dal compressore alla pressione di esercizio lungo il canale adiabatico 1 -2 in uno stato di saturazione e condensa a temperatura T nel condensatore (linea 2-3), che è raffreddato ad acqua. Allo stesso tempo, l'acqua rimuove il calore dal refrigerante) il liquido risultante entra nella valvola di strozzatura, dove viene strozzato lungo l'isoentalpo 3 -4 (o 3"-4, se non c'è sottoraffreddamento) e poi evapora nell'evaporatore ad una temperatura To (linea 4-1) a causa del calore , rimosso dall'oggetto raffreddato. Il sottoraffreddamento del refrigerante aumenta la dissipazione del calore .

Riso. 10.4. Schema di una macchina frigorifera a compressione di vapore:

km- compressore; A- condensatore; B - valvola di strozzamento; E- evaporatore (stato del refrigerante ai punti 1...4 mostrato in fig. 10.5 e 10.6)

Riso. 10.5. Ciclo frigorifero a compressione di vapore con compressione di gas umido nel compressore

Il processo con compressione di vapore umido nel compressore è stato descritto sopra, ma nella maggior parte dei casi le macchine frigorifere funzionano con compressione di vapore secco (Fig. 10.6). Il processo di compressione adiabatica del vapore nel compressore viene riflesso dalla linea 1 - 2. Segue il raffreddamento del vapore surriscaldato fino allo stato di saturazione lungo l'isobar 2 - 2", condensazione alla temperatura T secondo l'isoterma 2 " - 3" , ipotermia 3" - 3, strozzatura dell'isenthalpe 3 - 4 ed evaporazione isotermica 4 - 1.

Da un confronto dei suddetti cicli di funzionamento delle macchine a compressione di vapore, ne consegue che il ciclo termodinamico con vapore umido è più vicino al ciclo di Carnot e il relativo coefficiente di prestazione è maggiore. Tuttavia, quando il vapore umido viene compresso nel compressore, c'è il rischio di colpo d'ariete e una riduzione della portata del compressore, rendendo il ciclo meno vantaggioso di un ciclo di compressione del vapore secco. Portata del compressore dipendente dal rapporto di compressione p/p0, determinato sulla base di dati sperimentali.

S

Riso. 10.6. Ciclo chiller a compressione di vapore con compressione di vapore secco

La capacità frigorifera specifica (in kJ/kg) può essere determinata dalla fig. 10.6

e la portata massica del refrigerante circolante nella macchina frigorifera (in kg/s) - secondo la formula

Coefficiente di raffreddamento

(10.27)

Nelle macchine frigorifere a compressione di gas(fig. 10.7) il liquido di raffreddamento è aria. Nel ciclo di lavoro della macchina (Fig. 10.8), l'aria non condensa né evapora. L'aria viene aspirata dal turbocompressore e compressa adiabaticamente 1 -2. Quindi viene raffreddato con acqua in frigorifero dalla temperatura T2 prima di T3 lungo l'isobar 2-3, l'aria raffreddata si espande adiabaticamente nell'espansore, mentre la sua temperatura scende a T4. Dall'espansore, l'aria entra nello scambiatore di calore, in cui sottrae calore al livello di temperatura più basso a pressione costante lungo l'isobar 4-1. Queste macchine sono caratterizzate da un maggiore consumo energetico e vengono utilizzate solo per creare temperature inferiori a -100 °C.

Riso. 10.7. Schema di una macchina frigorifera a compressione di gas:

km- compressore; T- scambiatore di calore; X- frigorifero; D - espansore (espansore); punti 1...4 corrispondono ai punti del diagramma T-S (Fig. 10.8)

Riso. 10.8. Ciclo frigorifero a compressione di gas

V refrigeratori ad assorbimento(Fig. 10.9) il refrigerante è una soluzione di acqua-ammoniaca. Queste macchine sono utilizzate per il raffreddamento fino a -60 °C.

Riso. 10.9. Schema di un refrigeratore ad assorbimento:

1 - caldaia; 2 - condensatore; 3, 8 - valvole di strozzatura; 4 - evaporatore; 5 - assorbitore; 6 - pompa; 7 - scambiatore di calore

La macchina è composta da una caldaia 1 che è riscaldato da vapore, condensatore 2 , raffreddato ad acqua, valvola di strozzatura 3 , evaporatore 4, assorbitore 5 , scambiatore di calore 7 e pompa 6 (vedi figura 10.9). Nella caldaia, quando riscaldata, la maggior parte dell'ammoniaca gassosa viene rilasciata dalla soluzione acquosa di ammoniaca, che entra nel condensatore in eccesso di pressione, dove viene raffreddata dall'acqua e condensa ad alta temperatura T. L'ammoniaca cede calore quando condensa DIV_ADBLOCK84">

La quantità di soluzione di ammoniaca e acqua che circola nella macchina può essere determinata dalle equazioni di bilancio del materiale del termocompressore:

dove: OK, Oa - portate massiche della soluzione in ingresso rispettivamente in caldaia e assorbitore, kg/h; HK,Ah- concentrazione della soluzione in ingresso rispettivamente in caldaia e assorbitore, % in peso; https://pandia.ru/text/78/268/images/image054_1.gif" width="225" height="25">

V macchine frigorifere a getto d'acqua e vapore il refrigerante viene compresso nell'eiettore di vapore e il vapore viene condensato in condensatori di miscelazione dell'acqua o condensatori di superficie. Il liquido di raffreddamento qui è salamoia o acqua pura. Con l'aiuto della salamoia, si ottiene il raffreddamento fino a - 15 ° C e con l'aiuto dell'acqua - fino a + 5 ° C.

In fig. 10.10. Vapore acqueo ad alta pressione che entra nell'eiettore 2 aspira il vapore dall'evaporatore 1. Di conseguenza, la pressione nell'evaporatore viene ridotta a 25 Pa e la salamoia in circolazione viene raffreddata a -10...+ 15 °C. La salamoia raffreddata viene pompata fuori dalla pompa 5 e inviata a raffreddare gli oggetti. Il vapore acqueo proveniente dall'eiettore entra nel condensatore di miscelazione 3, dove condensa e viene scaricato come condensatore da una pompa ad aria umida 4.

Riso. 10.10. Schema di una macchina frigorifera con eiettore acqua-vapore:

1 - evaporatore; 2 - eiettore; 3 - condensatore miscelatore; 4, 5 - pompe.

Le macchine frigorifere ad eiettore vapore/acqua funzionanti sull'acqua hanno un elevato coefficiente di prestazione dovuto a una piccola differenza nei livelli di temperatura. Tali macchine sono semplici, affidabili, compatte e facili da usare.

10.7. DISPOSITIVO DI SCAMBIATORE DI CALORE

I dispositivi che utilizzano il calore utilizzati nella produzione alimentare per eseguire processi di scambio termico sono chiamati scambiatori di calore. Gli scambiatori di calore sono caratterizzati da una varietà di design, che si spiega con il diverso scopo dell'apparecchiatura e le condizioni per l'esecuzione dei processi.

Secondo il principio di funzionamento, gli scambiatori di calore si dividono in recuperativi, rigenerativi e miscelatori (torri di raffreddamento, scrubber, condensatori di miscelazione, ecc.).

Negli scambiatori di calore recuperativi, i vettori di calore sono separati da una parete e il calore viene trasferito da un vettore di calore all'altro attraverso la parete che li separa.

Negli scambiatori di calore rigenerativi, la stessa superficie di scambio termico viene lavata alternativamente da vettori di calore caldo e freddo. Quando si lava con un liquido di raffreddamento caldo, la superficie si riscalda a causa del suo calore; quando si lava la superficie con un liquido di raffreddamento freddo, si raffredda, cedendo calore. Pertanto, la superficie di scambio termico accumula il calore del refrigerante caldo e quindi lo cede al refrigerante freddo.

Nei miscelatori, il trasferimento di calore avviene attraverso l'interazione diretta dei vettori di calore.

Scambiatori di calore a recupero a seconda del design, sono divisi in shell-and-tube, "pipe in pipe", coil, lamellare, spirale, irrigazione e dispositivi incamiciati. Gli evaporatori a tubo costituiscono un gruppo speciale.

Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono i più utilizzati nell'industria alimentare.

Uno scambiatore di calore verticale a fascio tubiero a passaggio singolo con piastre tubiere fisse (Fig. 10.11, a) è costituito da un corpo cilindrico, delimitato su entrambi i lati da piastre tubiere saldate ad esso con tubi di riscaldamento fissati in esse. Il fascio tubiero divide l'intero volume del corpo dello scambiatore di calore in uno spazio tubiero racchiuso all'interno dei tubi di riscaldamento e uno spazio anulare.

Riso. 10.11 Schema di uno scambiatore di calore a fascio tubiero verticale a passaggio singolo con piastre tubiere fisse e posizionamento dei tubi nella piastra tubiera:

1 - corpo; 2 - piastra tubiera; 3 - tubo di riscaldamento; 4 - tubo di derivazione; 5 - fondi; 6 - zampa di supporto; 7 - bullone; 8 - guarnizione; 9 - conchiglia

Due fondi sono fissati al corpo per mezzo di una connessione imbullonata. Per l'ingresso e l'uscita dei vettori di calore, il corpo e i fondi hanno tubi di derivazione. Un flusso di refrigerante, ad esempio liquido, è diretto nello spazio tubiero, passa attraverso i tubi ed esce dallo scambiatore di calore attraverso un tubo di derivazione nella parte inferiore superiore. Un altro flusso di refrigerante, ad esempio vapore, viene introdotto nello spazio anulare dello scambiatore di calore, lava i tubi di riscaldamento dall'esterno e viene scaricato dall'alloggiamento dello scambiatore di calore attraverso il tubo di derivazione.

Lo scambio di calore tra i vettori di calore avviene attraverso le pareti dei tubi.

I tubi di riscaldamento sono collegati alla piastra tubiera mediante saldatura o espansi in essa (vedi nodo B in Fig. 10.11, a). I tubi del riscaldamento sono realizzati in acciaio, rame o ottone.

I tubi di riscaldamento sono posti nelle piastre tubiere in diversi modi: lungo i lati e le sommità di esagoni regolari (a scacchiera), lungo i lati e le sommità di quadrati (corridoio) e lungo cerchi concentrici. Tali disposizioni forniscono un design compatto dello scambiatore di calore. La distanza tra i tubi dipende dal diametro esterno del tubo. Quando si espandono i tubi in una piastra tubiera, il passo è determinato dalla formula t=(l,3...1,5)dn.

Diametro corpo scambiatore di calore

D= (1.3...1.5)( B-1)gn+4gn, (10.30)

dove B- il numero di tubi posti in diagonale rispetto all'esagono maggiore; B\u003d 2a-1 (qui a è il numero di tubi situati sul lato dell'esagono più grande);

dn è il diametro esterno del tubo.

Numero totale di tubi nello scambiatore di calore

n=3a(a-1)+1 (10.31)

La lunghezza dei tubi di diametro noto viene calcolata in base all'area della superficie di scambio termico

Per intensificare il trasferimento di calore negli scambiatori di calore a fascio tubiero, il fascio tubiero viene sezionato, cioè diviso in più sezioni (passaggi), attraverso le quali il liquido di raffreddamento passa in serie. La suddivisione dei tubi in più passaggi si ottiene utilizzando partizioni nella parte inferiore superiore e inferiore.

Sulla fig. 10.12 mostra un tale scambiatore di calore a più passaggi in cui il refrigerante passa attraverso l'intercapedine in quattro passaggi. In questo modo si ottiene un aumento della velocità del liquido di raffreddamento, che porta ad un aumento del coefficiente di trasferimento del calore nello spazio dei tubi. Si consiglia di aumentare la velocità di uno dei liquidi di raffreddamento, che ha una maggiore resistenza termica.

Lo spazio anulare può anche essere sezionato installando deflettori di guida (Fig. 10.13).

Mostrato in fig. 10.11 Gli scambiatori di calore a fascio tubiero funzionano in modo affidabile con differenze di temperatura tra mantello e tubi di 25...30°C. A differenze di temperatura più elevate tra mantello e tubi, si verificano notevoli sollecitazioni termiche, che possono portare al guasto dello scambiatore di calore. Pertanto, a grandi differenze di temperatura, vengono utilizzati modelli di scambiatori di calore che forniscono una compensazione per l'allungamento termico.

Il dispositivo più semplice per compensare gli allungamenti termici è un compensatore di lenti (Fig. 10.14, a), che è installato nell'alloggiamento dello scambiatore di calore e compensa le deformazioni termiche mediante compressione o espansione assiale.

Gli scambiatori di calore con tubi di riscaldamento a forma di U (Figura 10.14, b) hanno una piastra tubiera in cui sono fissate entrambe le estremità dei tubi a forma di U. Ogni tubo, una volta riscaldato, può allungarsi indipendentemente dagli altri, compensando così le sollecitazioni termiche.

Riso. 10.12. Schema di uno scambiatore di calore multi-pass (nel vano tubi):

1 - corpo; 2 - tubo di riscaldamento; 3 - in basso; 4 - partizioni

Riso. 10.13. Schema di uno scambiatore di calore multi-pass (lungo lo spazio anulare):

1 - corpo; 2 - partizioni; 3 - tubo di riscaldamento; 4 - in basso

Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono utilizzati per lo scambio di calore tra il vapore condensato e il liquido. Il liquido viene fatto passare attraverso i tubi e il vapore - nell'anello.

I vantaggi degli scambiatori di calore a fascio tubiero sono la compattezza, il basso consumo di metallo, la facilità di pulizia dei tubi dall'interno (ad eccezione di uno scambiatore di calore con tubi a U).

Riso. 10.14. Progettazione di scambiatori di calore con compensazione dello stress termico:

a - con un compensatore obiettivo: 1 - alloggiamento; 2 - tubo di riscaldamento; 3 - compensatore obiettivo; b - con tubi di riscaldamento a U: 1 - coperchio; 2 - corpo; 3 - Tubi di riscaldamento a forma di U

Gli svantaggi di questi scambiatori di calore sono: la difficoltà di raggiungere elevate velocità di trasferimento del calore, ad eccezione degli scambiatori di calore multi-pass; la difficoltà di pulizia dello spazio anulare e la sua scarsa disponibilità per ispezione e riparazione; la complessità della produzione da materiali che non possono essere espansi e saldati, ad esempio da ghisa e ferrosilide.

Gli scambiatori di calore del tipo "pipe in pipe" sono costituiti da una serie di tubi esterni di diametro maggiore e tubi di diametro minore posti al loro interno (Fig. 10.15). I tubi interni ed esterni degli elementi sono collegati tra loro in serie con l'ausilio di curve e diramazioni. Uno dei refrigeranti io- si muove lungo la camera d'aria, e l'altra - II- lungo il canale anulare formato dai tubi interno ed esterno. Lo scambio di calore avviene attraverso la parete della camera d'aria.

In questi scambiatori di calore si ottengono elevate velocità di trasporto del calore sia nei tubi che nell'anello. Se è necessario creare grandi superfici di scambio termico, lo scambiatore di calore è composto da più sezioni, riceventi una batteria.

Riso. 10.15. Scambiatore di calore tipo "tubo in tubo":

1 - tubo esterno; 2 - tubo interno; 3 - ginocchio; 4 - tubo di derivazione; io , II- vettori di calore

Riso. 10.16. Scambiatore di calore a batteria immersa:

1 - bobina; 2 - corpo

Riso. 10.17. Scambiatore di calore per irrigazione:

1 - scivolo di distribuzione; 2 - tubo; 3 - ginocchio; 4 - cremagliera; 5 - scivolo di raccolta

Vantaggi degli scambiatori di calore di tipo "pipe-in-pipe": elevato coefficiente di scambio termico dovuto all'elevata velocità di entrambi i vettori di calore, facilità di fabbricazione.

Gli svantaggi di questi scambiatori di calore sono l'ingombro, l'elevato consumo di metallo e la difficoltà nella pulizia dell'anello.

Gli scambiatori di calore del tipo "pipe in pipe" sono utilizzati a basse portate di vettori di calore per lo scambio termico tra due liquidi e tra un liquido ed un vapore condensante.

Gli scambiatori di calore a serpentino sommergibile sono un tubo piegato a forma di serpentino e immerso in un apparato con un mezzo liquido (Fig. 10.16). Il liquido di raffreddamento si muove all'interno della bobina. Gli scambiatori di calore a serpentino sono realizzati con serpentino piatto o con serpentino piegato lungo una linea elicoidale.

Il vantaggio degli scambiatori di calore a serpentina è la facilità di fabbricazione. Allo stesso tempo, tali scambiatori di calore sono ingombranti e difficili da pulire. Gli scambiatori di calore a immersione vengono utilizzati per il raffreddamento e il riscaldamento della condensa, nonché per la condensazione dei vapori.

Gli scambiatori di calore per irrigazione sono utilizzati per il raffreddamento di liquidi, gas e condensazione di vapore. Sono costituiti (Fig. 10.17) da più tubi posti uno sopra l'altro, collegati da gomiti. Il liquido di raffreddamento scorre attraverso i tubi. L'acqua di raffreddamento entra in un canale di distribuzione dentellato da cui fluisce uniformemente nel tubo dello scambiatore di calore superiore e nei tubi a valle. Parte dell'acqua di raffreddamento evapora dalla superficie dei tubi. Sotto il tubo inferiore è presente uno scivolo per la raccolta dell'acqua. Il coefficiente di scambio termico in tali scambiatori di calore è basso.

Gli scambiatori di calore per irrigazione sono semplici nel design, ma ad alta intensità di metallo. Di solito sono installati all'aperto.

Gli scambiatori di calore a spirale sono costituiti da due canali a spirale rettangolari formati da lamiere (Fig. 10.18). Le estremità interne delle spirali sono collegate da una partizione. Dalle estremità, i canali sono chiusi con coperchi e sigillati con guarnizioni. Alle estremità esterne dei canali sono previste diramazioni per l'ingresso e l'uscita dei termovettori, le altre due diramazioni sono saldate ai coperchi laterali piatti.

Riso. 10.18. Scambiatore di calore a spirale:

1 - copertina; 2 - partizione; 3.4 - lamiere

Tali scambiatori di calore sono utilizzati per lo scambio di calore tra liquidi e gas. Questi scambiatori di calore non sono ostruiti da particelle solide sospese nei fluidi termovettori, quindi sono utilizzati per lo scambio di calore tra liquidi con particelle in sospensione, ad esempio per raffreddare il mosto nelle distillerie.

Gli scambiatori di calore a spirale sono compatti, consentono di effettuare il processo di trasferimento del calore ad elevate velocità di trasferimento del calore con elevati coefficienti di trasferimento del calore; la resistenza idraulica degli scambiatori di calore a spirale è inferiore alla resistenza dei dispositivi multi-pass alle stesse velocità del vettore di calore.

Lo svantaggio degli scambiatori di calore a spirale è la complessità della produzione, riparazione e pulizia.

Gli scambiatori di calore a piastre (Fig. 10.19, a) sono montati su un telaio costituito da travi portanti superiore e inferiore che collegano la cremagliera alla piastra fissa. La piastra mobile si muove lungo i tiranti di guida. Tra le piastre mobili e fisse è presente un pacco di lamiere grecate in acciaio stampato, in cui sono presenti canali per il passaggio dei termovettori. La tenuta della piastra è ottenuta con guarnizioni incassate in grado di sopportare elevate pressioni di esercizio. I vettori di calore ai canali formati dalle piastre passano attraverso canali alternati attraverso i fori separati da guarnizioni.

Il principio di funzionamento di uno scambiatore di calore a piastre è mostrato in fig. 10.19b. Come si può vedere da questo diagramma, lo scambio termico avviene in controcorrente, con ciascun liquido di raffreddamento che si muove lungo un lato della piastra.

Riso. 10.19 Scambiatore di calore a piastre (a) e suo principio di funzionamento (b):

1 - trave portante superiore; 2 - piastra fissa; 3 - piatto; 4 - piastra mobile; 5 - trave portante inferiore; 6 - tirante di guida; 7 - cremagliera

Una variante dello scambiatore di calore a piastre descritto è un condensatore a scatola, che è uno scambiatore di calore a piastre posto in un collettore di vapore a forma di scatola (Fig. 10.20). La pila di piastre giace su un lato e i bordi superiori delle piastre alternate non sono imbottite per consentire l'ingresso del vapore che viene condensato dal refrigerante che scorre attraverso un sistema "a strati" di canali chiusi.

Gli scambiatori di calore a piastre vengono utilizzati come riscaldatori, frigoriferi e scambiatori di calore combinati per la pastorizzazione (ad es. latte) e la sterilizzazione (melassa). Questi scambiatori di calore possono essere assemblati come unità multistadio.

Gli scambiatori di calore a piastre sono compatti, hanno un'ampia superficie di trasferimento del calore, che si ottiene corrugando le piastre.

L'efficienza significativa è dovuta all'ampio rapporto tra la superficie di scambio termico e il volume dello scambiatore di calore. Ciò è ottenuto grazie alle elevate velocità dei vettori di calore, nonché alla turbolenza dei flussi delle superfici ondulate delle piastre e alla bassa resistenza termica delle pareti delle piastre.

Questi scambiatori di calore sono realizzati sotto forma di moduli dai quali è possibile assemblare uno scambiatore di calore con la superficie di scambio termico richiesta per il processo.

Gli svantaggi includono la complessità della produzione, la possibilità di intasare le superfici delle piastre con particelle solide sospese nel liquido.

Riso. 10.20 Funzionamento del box condensatore

Gli scambiatori di calore con superfici di scambio termico nervate consentono un aumento della superficie di scambio termico sul lato del mezzo di scambio termico con un basso coefficiente di scambio termico.

Riso. 10.21. Sezione riscaldatore:

1 - scatola; 2 - costola; 3 - tubo

Per l'alettatura superficiale vengono utilizzate rondelle tonde o rettangolari in acciaio, che vengono saldate principalmente ai tubi. Negli scambiatori di calore tubolari vengono utilizzate alette trasversali o longitudinali.

Un esempio di scambiatore di calore alettato è un riscaldatore utilizzato per riscaldare l'aria con vapore acqueo di riscaldamento. Sulla fig. 10.21 mostra la sezione del riscaldatore di vapore. Il vapore entra nei tubi, dove condensa, cedendo calore all'aria, che lava le piastre del riscaldatore. Coefficiente di scambio termico dal lato del vapore acqueo saturo alla parete del tubo α1=12.000 W/(m2*K), e dalla parete all'aria α2=12...50 W/(m2*K). L'alettatura della superficie esterna dei tubi aumenta notevolmente la quantità di calore ceduta dal vapore all'aria.

Negli scambiatori di calore con camicie (autoclavi), il calore viene trasferito dal liquido di raffreddamento alle pareti dell'apparecchio quando le pareti esterne dell'involucro vengono lavate con il liquido di raffreddamento. Sulla fig. 10.22 mostra un apparato con una camicia saldata alle pareti dell'apparato. Nello spazio tra la giacca e il corpo circola un liquido di raffreddamento che riscalda il fluido nell'apparato. A volte, invece di una camicia solida, una bobina viene saldata al corpo dell'apparato. Sulla fig. 10.23 mostra le opzioni per le bobine saldate al corpo dell'apparato.

Riso. 10.22. Apparecchio rivestito:

1 - corpo; 2 - maglia

Riso. 10.23. Opzioni bobina saldata

Scambiatori di calore rigenerativi sono costituiti da due sezioni, in una delle quali il calore viene trasferito dal liquido di raffreddamento al materiale intermedio, nell'altra - dal materiale intermedio al gas di processo. Un esempio di impianto di scambio termico rigenerativo è un impianto continuo con materiale granulare circolante (Fig. 10.24), che funge da vettore di calore dai fumi caldi ai gas di processo freddi. L'impianto è costituito da due scambiatori di calore, ciascuno dei quali è un albero con un flusso continuo di materiale granulare che si muove dall'alto verso il basso. Nella parte inferiore di ogni scambiatore di calore è presente un dispositivo di distribuzione del gas per la distribuzione uniforme del flusso di gas sulla sezione trasversale dello scambiatore di calore. Il materiale granulare viene scaricato dallo scambiatore di calore in continuo per mezzo di una saracinesca. Il materiale granulare raffreddato dal secondo scambiatore di calore entra nella linea di trasporto pneumatico, attraverso la quale l'aria viene alimentata alla tramoggia del separatore, dove le particelle si depositano e rientrano nel primo scambiatore di calore.

Riso. 10.24. Impianto con materiale granulare circolante:

1,2 - scambiatori di calore; 3 - chiusa; 4 - ventilatore; 5 - linea di trasporto pneumatico; 6 - distributore di gas; 7 - separatore

Riso. 10.25. Condensatore diretto:

1 - corpo; 2 - copertina; 3 - ugello spruzzatore; 4 - pompa dell'aria umida; 5 - raccordo

Scambiatori di calore miscelati Ci sono tipi asciutti e bagnati. Il calore in essi contenuto viene trasferito da un liquido di raffreddamento all'altro quando vengono miscelati.

Un condensatore umido passante (Fig. 10.25) è progettato per condensare il vapore con l'acqua. L'acqua di raffreddamento viene introdotta nel condensatore attraverso degli ugelli. L'atomizzazione dell'acqua aumenta notevolmente la superficie di scambio termico tra vapore e acqua. Quando le goccioline d'acqua interagiscono con il vapore, il vapore condensa. La condensa, l'acqua e i gas non condensati vengono pompati fuori dal condensatore da una pompa ad aria umida.

Il bilancio termico del processo è espresso dall'equazione

Di+TV. n. \u003d (D + W) cvt dentro. A.,

(10.33)

dove: D - portata massica vapore condensante, kg/h; i - entalpia del vapore condensante, kJ/kg; W è la portata massica dell'acqua di raffreddamento, kg/h; sv - capacità termica dell'acqua, kJ / (kg * K); tv. n e t dentro. k - temperatura dell'acqua iniziale e finale, rispettivamente, ºС.

Si ritiene che 1 kg di acqua contenga 0,000025 kg di aria e 1 kg di vapore condensante rappresenti una media di 0,01 kg di aria che penetra nel condensatore attraverso le perdite.

Portata massica d'aria (in kg/h) aspirata dal condensatore di miscelazione,

GB=25 106(G+L)+0,01 G, (10,34)

e il suo volume (in m3) è determinato dall'equazione di stato:

VB=288 GB(273+tB)/pB, (10,35)

dove: 288 - costante gassosa dell'aria, J/(kg*K); tB - temperatura dell'aria aspirata dal condensatore, 0С; рр=р-рп - pressione dell'aria parziale nel condensatore, N/m2 (qui рп - pressione di vapore parziale nell'aria di scarico, che è considerata uguale alla pressione di vapore saturo alla temperatura tB.

La temperatura dell'aria è assunta uguale alla temperatura dell'acqua di raffreddamento all'uscita del condensatore: tB=tB K.

In un condensatore a miscelazione a secco in controcorrente (Fig. 10.26), l'interazione di vapore e acqua di raffreddamento avviene in controcorrente. L'acqua di raffreddamento entra nella piastra perforata superiore del condensatore e il vapore - sotto la piastra inferiore. L'acqua scorre da una piastra all'altra sotto forma di getti sottili attraverso fori e lati. L'interazione del vapore con il liquido avviene nel volume tra le piastre del condensatore. La condensa formata dalla condensazione del vapore, insieme all'acqua, viene scaricata attraverso un tubo barometrico, la cui estremità viene calata nel pozzo, e l'aria viene aspirata attraverso il sifone da una pompa a vuoto. A questo proposito, tali condensatori sono talvolta chiamati barometrici.

Il processo di condensazione nei condensatori barometrici avviene sotto vuoto. Di solito la pressione assoluta in essi è 0,01 ... 0,02 MPa.

Per bilanciare la differenza di pressione nel condensatore barometrico e la pressione atmosferica, nel tubo barometrico viene utilizzata una colonna di liquido.

Altezza (in m) del tubo barometrico

Htr \u003d hz + hd + 0,5, (10,36)

dove hz è l'altezza della colonna di liquido che bilancia la differenza di pressione nel condensatore e la pressione atmosferica, m; hz \u003d 103,3 V (qui B è il vuoto nel condensatore, MPa); hd è l'altezza della colonna di liquido necessaria per creare una pressione dinamica che assicuri il movimento del liquido nel tubo; hd \u003d (υ2 / 2g) (2,5 + λH tr / d). Qui υ è la velocità del movimento del fluido attraverso il tubo, è presa pari a 1 ... 2 m / s; λ - coefficiente di resistenza idraulica;

- diametro del tubo, m;

D e W - portate massiche di vapore e acqua in ingresso al condensatore, kg/h; 0,5 - altezza che impedisce all'acqua di allagare l'ingresso del vapore, m.

Riso. 10.26. Condensatore barometrico:

1 - corpo; 2 - piatto; 3 - tubo barometrico; 4 - bene; 3 - trappola

Le dimensioni del condensatore barometrico dipendono dal diametro del tubo barometrico e sono determinate dai relativi materiali di riferimento.

Per selezionare una pompa per vuoto, è necessario conoscere la quantità di aria contenuta nel vapore e nell'acqua, la quantità di aria aspirata nel condensatore e le comunicazioni attraverso guarnizioni che perdono.

Il flusso d'aria viene calcolato utilizzando le equazioni (10.34) e (10.35).

Temperatura dell'aria

tv \u003d tv n +0,1 (da tv a - tv n) +4

10.8. SELEZIONE SCAMBIATORI DI CALORE

Quando si sceglie il progetto di uno scambiatore di calore, si dovrebbe procedere da quanto segue: il dispositivo deve corrispondere al processo tecnologico, essere altamente efficiente (produttivo), economico e affidabile nel funzionamento, avere un basso consumo di metallo; il materiale dello scambiatore di calore deve essere resistente alla corrosione nel mezzo di lavoro.

Valori elevati dei coefficienti di trasmissione del calore si ottengono quando i vettori di calore si muovono attraverso lo scambiatore di calore ad alte velocità. Per ottenere un elevato coefficiente di scambio termico, la superficie di scambio termico deve essere pulita. Con un aumento della velocità di uno dei refrigeranti, il coefficiente di trasmissione del calore aumenta notevolmente solo se il coefficiente di trasmissione del calore dall'altro liquido di raffreddamento è sufficientemente elevato e le resistenze termiche della parete e dell'inquinamento sono piccole. Quindi, se il coefficiente di trasmissione del calore nello spazio anulare è significativamente inferiore rispetto ai tubi, un aumento della velocità del liquido di raffreddamento nei tubi non ha quasi alcun effetto sul valore del coefficiente di trasmissione del calore; in questo caso, è necessario aumentare il coefficiente di scambio termico nello spazio anulare, ad esempio installando al suo interno dei deflettori.

Quando si decide quale dei liquidi di raffreddamento far passare attraverso i tubi, quale - dall'esterno dei tubi, è necessario osservare le seguenti regole:

per ottenere un coefficiente di scambio termico più elevato, è necessario far passare attraverso i tubi un liquido di raffreddamento con un coefficiente di scambio termico inferiore;

il liquido di raffreddamento che ha effetto corrosivo sull'apparecchiatura, si consiglia di far passare attraverso le tubazioni, poiché in questo caso l'utilizzo di materiale anticorrosivo è necessario solo per tubazioni, griglie e camere, il mantello non può essere di materiale ordinario;

per ridurre le dispersioni di calore si consiglia di far passare attraverso tubazioni un termovettore ad alta temperatura;

il liquido di raffreddamento da cui fuoriesce la precipitazione, si consiglia di passare da quel lato della superficie di scambio termico, che è più facile da pulire;

Il liquido di raffreddamento ad alta pressione deve essere convogliato nel vano delle tubazioni in modo che l'alloggiamento dello scambiatore di calore non sia sotto pressione.

Il progetto dello scambiatore di calore viene scelto sulla base di un calcolo tecnico ed economico. Allo stesso tempo, vengono confrontati i costi di capitale per la produzione ei costi operativi annuali. In alcuni casi, vanno ad aumentare i costi di capitale se si ripagano rapidamente grazie al risparmio sui costi operativi.

Quando si progetta uno scambiatore di calore per un processo tecnologico, il compito di calcolo è determinare l'area della sua superficie di scambio termico e le dimensioni complessive dell'apparato.

Il calcolo inizia con la preparazione del bilancio termico dello scambiatore di calore, da cui viene determinata la quantità di calore trasferito. Ad esempio, il bilancio termico per il riscaldamento del liquido di raffreddamento dalla temperatura tH alla temperatura tto vapore acqueo saturo (Fig. 10.27) sarà scritto come segue:

GctH+Di"=GctK+Di"+Qp;

Q=Gc(tK-tH)+Qp=D(i"-i")+Qp.

Consumo di vapore di riscaldamento D=Q/(i"-i").

Il coefficiente di scambio termico è determinato dalla formula (3.1.47) ei coefficienti di scambio termico α1 e α2 inclusi in questa formula sono determinati dalle corrispondenti equazioni di criterio.

La forza motrice media è calcolata utilizzando le formule (3.1.53) e (3.1.54).

L'area della superficie di scambio termico è determinata dall'equazione di scambio termico di base (3.1.3).

Il numero di tubi nello scambiatore di calore n=4F/(πd2вl), dove dB è il diametro esterno dei tubi, m; l è la lunghezza dei tubi, m Se il numero di tubi è calcolato dalla portata massica e dalla velocità del liquido di raffreddamento nei tubi, la lunghezza dei tubi viene calcolata utilizzando questa equazione.

I tubi nella piastra tubiera di uno scambiatore di calore a fascio tubiero sono disposti a scacchiera o in cerchi concentrici.

Riso. 10.27. Alla preparazione del bilancio materiale

Il diametro dello scambiatore di calore a fascio tubiero è determinato dall'equazione (10.30).

La resistenza idraulica dello scambiatore di calore (in N/m2 o Pa) si trova utilizzando la formula di Darcy-Weisbach

dove: λ - coefficiente di attrito; l- lunghezza del tubo, m; d - diametro del tubo, m; - somma dei coefficienti delle resistenze locali; 18. Quali sono i tipi di scambiatori di calore recuperativi, a seconda del progetto? 19. Come funziona uno scambiatore di calore a fascio tubiero a passaggio singolo? 20. Come si ottiene l'intensificazione negli scambiatori di calore a fascio tubiero multi-pass? 21. Quali sono i vantaggi e gli svantaggi degli scambiatori di calore a fascio tubiero? 22. Quale dei liquidi di raffreddamento viene fatto passare attraverso i tubi e quale - nell'anello? 23. Quando vengono utilizzati gli scambiatori di calore tubo in tubo? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi di questi scambiatori di calore? 24. Come funziona uno scambiatore di calore a spirale? Quali vantaggi e svantaggi ha? 25. Come è disposto uno scambiatore di calore a piastre? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi degli scambiatori di calore a piastre? 26. In quali casi vengono utilizzati scambiatori di calore con superfici di scambio termico rigate? 27. Fornire esempi di scambiatori di calore rigenerativi. 28. Quali scambiatori di calore, secondo il principio di funzionamento, stanno mescolando? 29. Come funziona e funziona un condensatore a passaggio bagnato? Cosa determina il flusso dell'acqua di raffreddamento e il volume dell'aria aspirata dal condensatore? 30. Come funziona un condensatore a miscelazione a secco in controcorrente? 31. Da quali quantità dipende l'altezza del tubo barometrico? Qual è il suo scopo? 32. Di cosa si tiene conto nella scelta della progettazione degli scambiatori di calore? 33. Qual è il calcolo di progetto dello scambiatore di calore? 34. Qual è la differenza tra i calcoli di progettazione e di verifica degli scambiatori di calore?

DOMANDA N. 1: RISCALDAMENTO

Modulo n. 4

Processi di scambio termico

Lezione #20

Riscaldamento ed evaporazione

Letteratura:

1. G.D. Kavetsky, vicepresidente Kasyanenko "Processi e apparati della tecnologia alimentare" - M., Kolos, 2008.-591 p.: ill.

2. Processi e dispositivi per la produzione alimentare. Libro di testo per le università in 2 libri / [A.N. Ostrikova e altri]; ed. UN. Ostricova.

Piano di lezione:

1. Riscaldamento.

2. Evaporazione.

3. Apparecchio per il riscaldamento di mezzi alimentari.

Domande di controllo:

1. Quali metodi vengono utilizzati per riscaldare il cibo?

2. Quali sono le caratteristiche del riscaldamento con acqua?

3. Quali sono i vantaggi del processo di riscaldamento dell'acqua satura?

4. Quali sono gli svantaggi del riscaldamento con i gas di scarico?

5. Come viene utilizzata la corrente elettrica per il riscaldamento?

6. Qual è l'essenza del riscaldamento a termoradiazione?

7. In quali dispositivi vengono utilizzati i tubi come scambiatori di calore?

8. Determinare i vantaggi tecnologici degli scambiatori di calore a piastre.

DOMANDA N. 1: RISCALDAMENTO

Il riscaldamento è il processo per aumentare la temperatura dei materiali applicando calore ad essi. Nella tecnologia alimentare sono diffusi metodi di riscaldamento con acqua calda o altri vettori di calore liquido, vapore acqueo saturo, gas di scarico e corrente elettrica.

Per questi scopi vengono utilizzati scambiatori di calore di vari modelli.

Riscaldamento con acqua utilizzato per aumentare la temperatura e pastorizzare prodotti alimentari a temperature inferiori a 100 °C. Per il riscaldamento a temperature superiori a 100 ° C, viene utilizzata acqua surriscaldata sotto pressione eccessiva. L'acqua è uno dei refrigeranti non corrosivi disponibili ed economici con elevata capacità termica e coefficiente di scambio termico. Solitamente, il riscaldamento con acqua viene effettuato attraverso la parete dell'apparecchio che separa il vettore di calore e il prodotto.

Quando viene riscaldato con acqua o altri liquidi, come olio, vettori di calore organici, viene spesso utilizzato il metodo di riscaldamento a circolazione. Secondo questo metodo, l'acqua calda (o altro liquido di raffreddamento) circola tra il riscaldatore e lo scambiatore di calore, in cui emette calore.

La circolazione può essere naturale o forzata. La circolazione naturale si verifica a causa della differenza di densità dei refrigeranti caldi e freddi.

Un metodo più efficiente di riscaldamento con circolazione forzata mediante pompa.

Per riscaldare le serre durante la coltivazione di cetrioli, pomodori e altre verdure, viene utilizzata l'acqua calda, che è lo scarto degli impianti di produzione che utilizzano il calore.

Un altro metodo di riscaldamento con liquidi caldi è il riscaldamento con bagni riscaldanti, che sono apparecchi incamiciati. La camicia è riscaldata da fumi, corrente elettrica o vapore saturo ad alta pressione fornito alla batteria.

Dei liquidi organici altobollenti, per creare temperature elevate vengono utilizzati oli minerali (fino a 250 ... 300 ° C), tetraclorobifenile (fino a 300 ° C), glicerina, composti organosilicio, ecc.. La miscela di difenile, che viene utilizzato per il riscaldamento con il metodo della circolazione, è il più utilizzato. , nonché per il riempimento di bagni di riscaldamento. Il coefficiente di trasmissione del calore per una miscela di difenile liquida in condizioni di circolazione naturale è 200 ... 350 W / (m 2 K). La miscela difenile fornisce riscaldamento fino a 260...400 °C.

Il consumo di acqua o altro refrigerante per il riscaldamento è determinato dal bilancio termico.

dove Vincita e G p – portate massiche rispettivamente di acqua e prodotto, kg/h; da A e Con n sono le capacità termiche dell'acqua e del prodotto, rispettivamente, kJ/(kg K); T vn e T PC. sono le temperature finali dell'acqua e del prodotto, rispettivamente, °С; Q n – dispersione termica nell'ambiente, kJ/h.

Riscaldamento con vapore acqueo saturo si è diffuso grazie ai suoi seguenti vantaggi: una grande quantità di calore rilasciata durante la condensazione del vapore acqueo (2024 ... 2264 kJ per 1 kg di vapore di condensazione a pressioni assolute rispettivamente di 0,1 ... 1,0 MPa); elevato coefficiente di trasmissione del calore dal vapore di condensazione alla parete - circa 20.000 ... 40.000 kJ / (m 2 h K); uniformità di riscaldamento.

Se riscaldato con vapore acqueo saturo, vengono utilizzati due metodi: riscaldamento con vapore saturo "sordi" e vapore "affilato".

Quando riscaldato da vapore "sordi", il calore del vapore acqueo saturo di condensazione viene trasferito al refrigerante riscaldato attraverso la parete che li separa. Il vapore "morto" di riscaldamento condensa e viene rimosso dallo spazio del vapore dello scambiatore di calore sotto forma di condensa. In questo caso si assume la temperatura della condensa pari alla temperatura del vapore saturo di riscaldamento.

La portata massica del vapore (kg/h) durante il riscaldamento del liquido è determinata dal bilancio termico.

dove Dè la portata massica del vapore, kg/h; Gè la portata massica del liquido, kg/h; Conè la capacità termica specifica del liquido, kJ/(kg K); T e e T k sono rispettivamente la temperatura iniziale e finale del liquido, °С; і e і ´´ - entalpie specifiche del vapore di riscaldamento e della condensa, rispettivamente, kJ/h.

Affinché il vapore sia completamente condensato nello spazio vapore dello scambiatore di calore, sulla linea di uscita della condensa sono installati scaricatori di condensa di vario tipo (Fig. 1). Lo scaricatore di condensa consente il passaggio della condensa ma non del vapore, quindi condensa completamente nello spazio del vapore dello scambiatore di calore, con conseguente notevole risparmio di vapore.

Se riscaldato con vapore "caldo", il vapore acqueo viene iniettato direttamente nel liquido riscaldato. Il vapore condensa e cede calore al liquido riscaldato e la condensa si mescola con il liquido. Il vapore viene introdotto attraverso un gorgogliatore, che in molti casi è un tubo forato, piegato a spirale oa cerchio di Archimede. L'ingresso del vapore attraverso il gorgogliatore provvede, contestualmente al riscaldamento del liquido, alla sua miscelazione con il vapore.

Riso. 1. Schema di installazione dello scaricatore di condensa:

1 - scambiatore di calore; 2 - valvola di spurgo; 3 - scarico condensa;

4 - valvole; 5 - linea di uscita.

Il consumo di vapore "caldo" è determinato dal bilancio termico

La notazione qui è la stessa dell'equazione (3).

Consumo di vapore "affilato".

Il riscaldamento con vapore "caldo" viene utilizzato nei casi in cui è consentito diluire il mezzo riscaldato con acqua. Questo metodo viene spesso utilizzato per riscaldare acqua e soluzioni acquose.

Riscaldamento a fumi, formatisi durante la combustione di combustibili solidi, liquidi o gassosi in appositi forni, vengono utilizzati, ad esempio, per riscaldare gli essiccatori.

Gli svantaggi del riscaldamento con fumi sono: basso coefficiente di scambio termico pari a 60...120 kJ/(m 2 · h · K), notevoli differenze di temperatura e riscaldamento non uniforme; complessità del controllo della temperatura; l'ossidazione delle pareti dell'apparecchio, nonché la presenza di prodotti di combustione nocivi, che rende inaccettabile l'utilizzo dei gas di combustione per riscaldare i prodotti alimentari a diretto contatto con essi.

Oltre ai gas di combustione ottenuti in un forno speciale, vengono utilizzati anche gas di scarico di forni, caldaie, ecc. Con una temperatura di 300 ... 500 ° C. L'uso dei gas di scarico non richiede un consumo aggiuntivo di carburante, quindi il loro utilizzo per il riscaldamento è molto razionale.

Quando riscaldato da corrente elettrica utilizzare una corrente con una tensione di 220 ... 380 V e una frequenza di 50 Hz, correnti di alta e altissima frequenza (SHF) con una frequenza di oscillazione da diverse centinaia di kilohertz a migliaia di megahertz.

Il riscaldamento dei prodotti mediante corrente elettrica può essere effettuato per azione diretta e indiretta. Con l'azione diretta di una corrente elettrica, il corpo si riscalda quando una corrente elettrica lo attraversa. Con l'esposizione indiretta, il calore viene rilasciato quando una corrente elettrica passa attraverso gli elementi riscaldanti (TEN). Il calore rilasciato in questo processo viene trasferito al materiale per irraggiamento termico, conducibilità termica e convezione. Gli elementi riscaldanti sono realizzati in filo o nastro di nichelcromo (lega contenente il 20% di cromo, 30...80% di nichel, 0,5...50% di ferro).

Gli elementi riscaldanti sono disponibili in una varietà di forme: cilindrica, piatta, a spirale, rotonda, ad anello. Gli elementi riscaldanti sono installati in stufe elettriche, scaldavivande, pentole, friggitrici, macchine per frittelle, forni da forno.

La quantità di calore che deve essere fornita nel processo di riscaldamento con corrente elettrica è determinata dal bilancio termico

dove Q e è la quantità di calore che viene rilasciata nell'elemento elettrico riscaldante quando una corrente elettrica lo attraversa, J / h; G – consumo prodotto, kg/h; c è la capacità termica specifica del prodotto, J/(kg K); T e e T k - rispettivamente, la temperatura iniziale e finale del prodotto lavorato, °C; Q p - dispersione di calore nell'ambiente, J / h.

Dall'equazione (7) otteniamo

(8)

Potenza delle resistenze elettriche, W,

(9)

Attualmente, la maggior parte delle apparecchiature dell'industria alimentare funziona con corrente elettrica, che ha praticamente sostituito gli apparecchi a gas.

Riscaldamento ad alta frequenza si basa sul fatto che quando esposto ad un dielettrico posto tra le piastre di un condensatore a corrente elettrica alternata, le sue molecole iniziano ad oscillare, mentre parte dell'energia viene spesa per vincere l'attrito tra le molecole del dielettrico e si trasforma in calore, riscaldandosi il corpo. La quantità di calore rilasciata è proporzionale al quadrato della tensione e alla frequenza della corrente. Tipicamente, la frequenza corrente è 1 · 10 6 ... 100 · 10 6 Hz.

Per ottenere correnti ad alta frequenza vengono utilizzati generatori di vari modelli. I vantaggi del riscaldamento dielettrico includono: rilascio diretto di calore nel corpo riscaldato, riscaldamento rapido uniforme dell'intera massa del prodotto alla temperatura richiesta, facilità di controllo del processo.

Negli ultimi anni il riscaldamento nel campo delle microonde, caratterizzato da una gamma di lunghezze d'onda centimetriche e da una frequenza di oscillazione di migliaia di megahertz, ha trovato ampia applicazione nella tecnologia alimentare. Il riscaldamento a microonde viene utilizzato nei forni a microonde per riscaldare cibi, cuocere al forno, ecc., nonché per disinfettare materie prime e prodotti.

Per convertire una corrente elettrica con una frequenza di 50 Hz in correnti a microonde nei forni a microonde, vengono utilizzati i magnetron. La frequenza di oscillazione è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda λ ed è definito come v = c/λ, dove Con- la velocità di propagazione della luce, pari a 300.000 km/s. Il riscaldamento ad alta frequenza si basa sul fenomeno della polarizzazione. In un dielettrico, le vibrazioni delle molecole sono associate all'attrito tra le particelle. Come risultato dell'attrito risultante nella massa del prodotto, viene rilasciato calore. Maggiore è la frequenza del campo elettrico, maggiore è la generazione di calore nella massa del prodotto.

Per determinare la quantità di calore rilasciata per unità di massa del prodotto, determiniamo le perdite dielettriche specifiche.

Perdita di potenza per unità di massa o volume, W / cm 3,

dove P è la potenza dissipata totale, W, in un dielettrico con una capacità c, che è sotto una tensione alternata U ad una frequenza f, V è un volume unitario.

Sostituiamo nell'equazione (10) i valori della perdita di potenza totale P = UI c m cos φ e il valore totale della corrente di spostamento nel dielettrico io centimetro - ωcU, dove ω è la frequenza angolare del campo; ω = 2pf.

Dopo la sostituzione, otteniamo

Sostituzione V=Sd, dov'è la zona S- superfici della parte di lavoro delle piastre del condensatore; D- distanza tra i piatti; φ - otteniamo l'angolo con cui la corrente di polarizzazione nel circuito porta la tensione applicata

(12)

Se l'intensità del campo elettrico E (V / cm) è espressa come E=U/d, una capacità ñ = εS/g, dove ε è la costante dielettrica del prodotto, otteniamo

(12)

Esprimendo f in Hz, e in V / cm, otteniamo finalmente la perdita di potenza, W / cm 3, (13)

Il prodotto etg δ è chiamato fattore di perdita dielettrico. Come risulta dall'equazione (85), le perdite dielettriche specifiche, che determinano la quantità di calore rilasciata per unità di massa o volume del prodotto dielettrico, dipendono dai parametri del campo ad alta frequenza e dalle proprietà dielettriche del materiale, cioè , sull'angolo di perdita dielettrico δ e sulla permittività dielettrica ε.

Riscaldamento a termoradiazioneè un processo fisico complesso a causa dell'elevata densità ottica e disomogeneità dei prodotti irradiati.

Durante il riscaldamento per termoradiazione, il calore viene fornito al prodotto da generatori di radiazioni infrarosse: emettitori ad alta temperatura, lampade al quarzo e a specchio.

L'uso del riscaldamento IR consente di ridurre i tempi di lavorazione dei prodotti, oltre a migliorarne la qualità. Quando un prodotto viene irradiato con raggi infrarossi, l'energia radiante viene convertita in calore. L'efficienza del riscaldamento dipende dalle caratteristiche spettrali dei generatori di radiazione e dal prodotto irradiato.

Quindi, ad esempio, durante l'essiccazione dei meloni, la durata del processo nel campo della radiazione IR viene ridotta di 3...5 volte e la qualità del prodotto viene notevolmente migliorata.

La radiazione infrarossa differisce da altri tipi di oscillazioni elettromagnetiche in frequenza, lunghezza d'onda e velocità di propagazione. La lunghezza d'onda della radiazione infrarossa è nell'intervallo 7,7 10 -5 ... 3,4 10 -2 cm (0,77 ... 340 μm).

Le proprietà ottiche di un prodotto sono determinate dalle sue proprietà e dall'acqua che contiene. Le caratteristiche spettrali dei generatori di radiazioni devono corrispondere alle caratteristiche spettrali dei prodotti irradiati. Con la corretta scelta dell'emettitore e della modalità di irraggiamento, è assicurata la penetrazione della radiazione nella profondità del materiale, il che porta all'intensificazione dei processi di trasferimento di calore e massa. La permeabilità dei materiali ai raggi IR dipende dal tipo di materiale (capillare-poroso o colloidale), dalla loro struttura, dalla dimensione dei capillari, dalla natura della loro distribuzione e dal tipo di legame dell'umidità con il materiale.

I materiali capillari porosi assorbono più energia di quelli colloidali. Ciò è dovuto ai numerosi riflessi dei raggi termici dalle pareti dei capillari del materiale.

La maggior parte dell'energia viene assorbita dallo strato superficiale del prodotto e solo una parte insignificante di essa entra all'interno, costituendo solo il 5...20% dell'energia di irraggiamento ad una profondità di 1...2 mm. Quindi, con il riscaldamento a infrarossi, lo strato di farina non deve superare i 10 mm, frutta e verdura - 10 ... 15 mm.

Se il prodotto è in grado di resistere al riscaldamento a temperature elevate, è necessario utilizzare sorgenti di radiazioni ad alta temperatura per penetrare le radiazioni. Questo intensifica notevolmente il processo di riscaldamento senza pericolo di surriscaldamento della superficie del prodotto.

Nei forni elettrici a induzione, il riscaldamento viene effettuato mediante correnti di induzione. Il corpo del forno funge da nucleo del solenoide attraverso il quale viene fatta passare la corrente alternata. Intorno al solenoide si genera un campo magnetico alternato che induce una forza elettromotrice nella parete del forno. Le pareti del forno sono riscaldate da corrente secondaria. Il solenoide è realizzato con materiali a bassa resistenza ohmica, come filo di rame e alluminio.

Il riscaldamento dielettrico viene utilizzato per riscaldare i dielettrici. La quantità di calore rilasciata è direttamente proporzionale al quadrato della tensione e alla frequenza della corrente.

Vantaggi del riscaldamento dielettrico: alta velocità del processo, riscaldamento uniforme del materiale, capacità di controllare il processo.

Il riscaldamento è il processo per aumentare la temperatura dei materiali applicando calore ad essi. I metodi di riscaldamento diffusi nella tecnologia alimentare sono il riscaldamento con acqua calda o altri fluidi termovettori, vapore saturo, gas di combustione e corrente elettrica.

Per questi scopi vengono utilizzati scambiatori di calore di vari modelli.

Riscaldamento con acqua utilizzato per aumentare la temperatura e pastorizzare prodotti alimentari a temperature inferiori a 100 °C.

Un altro metodo di riscaldamento con liquidi caldi è il riscaldamento con bagni riscaldanti, che sono apparecchi incamiciati. La camicia è riscaldata da fumi, riscaldamento elettrico o vapore saturo ad alta pressione fornito alla batteria.

Riscaldamento con vapore acqueo saturo si è diffuso, il che si spiega con i suoi seguenti vantaggi: una grande quantità di calore rilasciata durante la condensazione del vapore acqueo (2024 ... 2264 kJ per 1 kg di vapore di condensazione a pressioni assolute di 0,1 ... 1,0 MPa, rispettivamente) ; elevato coefficiente di trasmissione del calore dal vapore di condensazione alla parete - circa 20.000 ... 40.000 kJ / m 2) uniformità di riscaldamento.

Riscaldamento con fumi, formatosi durante la combustione di combustibili solidi, liquidi o gassosi in appositi forni, viene utilizzato, ad esempio, per riscaldare gli essiccatori.

Riscaldamento elettrico effettuata in forni elettrici a resistenza ad azione diretta ed indiretta.

Nei forni ad azione diretta, il corpo si riscalda quando viene attraversato da una corrente elettrica.

Il riscaldamento mediante correnti ad alta frequenza si basa sul fatto che quando si applica una corrente elettrica alternata a un dielettrico, le molecole del dielettrico entrano in moto oscillatorio, mentre parte dell'energia viene spesa per vincere l'attrito tra le molecole del dielettrico e si trasforma in calore, riscaldando il corpo.

Il raffreddamento è il processo di abbassamento della temperatura dei materiali rimuovendo il calore da essi.

Raffreddamento ad acqua viene effettuato in scambiatori di calore in cui i vettori di calore sono separati da una parete o scambiano calore quando miscelati. Ad esempio, i gas vengono raffreddati spruzzando acqua al loro interno.

Raffreddamento a ghiaccio utilizzato per raffreddare alcuni prodotti, come il gelato, a una temperatura prossima allo zero.

Trasferimento termico- scambio termico tra due refrigeranti attraverso una parete solida che li separa.

liquido di raffreddamento- mezzo in movimento (gas, vapore, liquido) utilizzato per il trasferimento di calore.

conduttività termica chiamato il processo di trasferimento dell'energia termica da parti più riscaldate del corpo a meno riscaldate a causa del movimento termico e dell'interazione di microparticelle. Come risultato della conduzione del calore, la temperatura corporea si equalizza.

Legge fondamentale della conduzione del calore, stabilito da Fourier (1768-1830) e intitolato a lui, dice che la quantità di calore dQ, trasferito per conducibilità termica, proporzionale al gradiente di temperatura dt/dl, volta dt e area sezionale dF, perpendicolare alla direzione del flusso di calore:

dove λ. - coefficiente di conducibilità termica del mezzo, W/(m-K).

La conducibilità termica delle sostanze dipende dalla loro natura e stato di aggregazione, temperatura e pressione.

Dissipazione di caloreè il processo di scambio termico tra la superficie del corpo e l'ambiente.

L'intensità del trasferimento di calore è caratterizzata dal coefficiente

trasferimento di calore uguale al rapporto tra la densità del flusso di calore all'interfaccia e la differenza di temperatura tra la superficie di scambio termico e il fluido (refrigerante).

La legge fondamentale del trasferimento di calore: la legge di Newton dice: quantità di calore dQ, trasferito dalla superficie di scambio termico al flusso, liquido (gas) o dal flusso alla superficie di scambio termico, è direttamente proporzionale all'area della superficie di scambio termico F, differenze di temperatura superficiale tst e il nucleo del thread t f (o viceversa) e la durata del processo dt:

36.Progettazione di elettrodeposizione e precipitatore elettrostatico. Scopo, dispositivo, principio di funzionamento e regione
applicazioni. Il più semplice precipitatore elettrostatico- si tratta di due elettrodi, uno dei quali - l'anodo - è realizzato a forma di tubo o piastra, e l'altro - il catodo - a forma di filo che viene teso all'interno dell'anodo tubolare o tra anodi a piastra di rete metallica. Anole macinate.

La miscela di gas entra all'interno degli elettrodi tubolari o tra gli elettrodi a piastre. A causa dell'elevata differenza di potenziale sugli elettrodi e della disomogeneità del campo elettrico nello strato di gas all'elettrodo negativo - il catodo - si forma un flusso di elettroni diretto verso l'anodo. Come risultato delle collisioni di elettroni con molecole di gas neutre, il gas viene ionizzato. Tale ionizzazione è chiamata shock. Un segno di ionizzazione del gas è la formazione di una "corona" al catodo, quindi il catodo è chiamato corona. Particelle di polvere o nebbia si depositano sull'anodo, ricoprendolo con uno strato di sedimento.

Il riscaldamento può essere effettuato: direttamente a fiamma libera; tramite rete di amianto; nel bagno; apparecchi di riscaldamento elettrici.

Le fiamme libere sono utilizzate principalmente per calcinare crogioli di argilla refrattaria, porcellana, platino, nichel, ferro e altri metalli e utensili al quarzo.

Si sconsiglia di riscaldare a fuoco vivo utensili chimici, come borracce, bicchieri, ecc., poiché gli utensili potrebbero scoppiare. Quando si riscaldano utensili chimici, nella maggior parte dei casi vengono utilizzate reti di amianto (Fig. 208) o un pezzo di lamiera di amianto. La griglia viene posizionata su un treppiede o su un anello per treppiede, su di essa viene posizionato un recipiente e dal basso viene sostituito un bruciatore. La fiamma del bruciatore non tocca direttamente il recipiente e il riscaldamento passa attraverso l'amianto, che ottiene una maggiore uniformità di riscaldamento.

Tuttavia, è piuttosto difficile condurre il riscaldamento su una griglia a qualsiasi temperatura particolare. Per fare ciò vengono utilizzati vari tipi di bagni, di cui i più comuni sono: acqua, vapore, sale, aria, sabbia, olio, glicerina, paraffina, tricresilfosfato, da metalli bassofondenti e leghe.

Bagni d'acqua (Fig. 209). I bagni ad acqua vengono utilizzati solo nei casi in cui è richiesto un riscaldamento non superiore a 100°C. I bagni sono chiusi dall'alto da una serie di anelli concentrici sovrapposti l'uno all'altro.

Oltre ai bagni ad acqua a cavità singola, i laboratori utilizzano anche bagni a più cavità, uno dei quali è mostrato in Fig. 210.

Riso. 208. Rete in amianto.

Il riscaldamento a bagnomaria può essere effettuato in due modi: le stoviglie riscaldate vengono immerse in acqua bollente, nel qual caso la temperatura di riscaldamento raggiunge i 100°C; le stoviglie riscaldate non toccano l'acqua e sono riscaldate solo dal vapore acqueo, - la temperatura di riscaldamento è di alcuni gradi inferiore a 100 ° C.

Riso. 210. Bagnomaria a tre cavità con riscaldamento a gas.

L'acqua viene versata nella vasca in modo che rimangano 2-3 cm ai bordi La nave riscaldata viene posizionata su un anello di un diametro tale che la sua parte inferiore si trovi a 1,5-2 cm all'interno della vasca.

Se un vetro viene riscaldato, deve essere posizionato in modo che non cada, ovvero il diametro interno dell'anello deve essere inferiore al diametro del fondo del vetro.

L'acqua nel bagno viene riscaldata a ebollizione e mantenuta in questo stato per tutto il tempo di riscaldamento.

Quando si lavora con un bagnomaria, è necessario prestare attenzione per garantire che ci sia sempre acqua all'interno. Accade spesso che, a causa di una svista del lavoratore, tutta l'acqua del bagno ribolle, a causa delle quali possono verificarsi spiacevoli conseguenze (danni al bagno, danni alla sostanza riscaldata). Pertanto, nella pratica di laboratorio, è meglio utilizzare 6ai nyami con approvvigionamento idrico automatico (Fig. 209, a). "Nella parte inferiore di un tale bagno c'è un processo a cui è collegato un dispositivo a sifone per

Riso. 211. Schema di un sifone per mantenere costante il livello dell'acqua: 1 - un tubo collegato ad un rubinetto passante; 2 tubi di scarico per rimuovere l'acqua in eccesso; Tubo a S che collega il dispositivo sifone al bagnomaria.

mantenimento logico del livello dell'acqua. I dispositivi a sifone sono disponibili in vari modelli. In Fig. 211. L'acqua entra nella vasca attraverso un tubo /, collegato ad una sorgente d'acqua (rubinetto, bottiglia d'acqua). L'acqua in eccesso defluisce attraverso il tubo di scarico 2, su cui è applicato un tubo di gomma, che viene condotto nel lavandino. Il flusso dell'acqua attraverso il tubo/set è molto lento.

È anche possibile predisporre l'alimentazione automatica della vasca con acqua secondo lo schema mostrato in fig. 212. Il bagno 5 è collegato tramite un dispositivo a sifone 4 con un tubo di gomma al recipiente 3. L'acqua in questo recipiente deve essere allo stesso livello dell'acqua nel bagno. Questo recipiente è collegato al recipiente 1 con l'aiuto di un tubo a gomito 2. Il tubo 2 viene abbassato nel recipiente 3 di 1-1,5 cm Quando il livello dell'acqua nel bagno 5 e nel recipiente 3 scende in modo che l'estremità del tubo 2 sia sopra il livello del liquido, il recipiente / verserà una tale quantità di acqua che creerà nuovamente il livello precedente.

Un dispositivo ancora meno complesso per l'approvvigionamento idrico automatico è mostrato in Fig. 213; è costituito da una fiaschetta o bottiglia 1 con una capacità di diversi litri, montata su un treppiede con il collo in giù. Un tubo di equalizzazione 2 passa attraverso il tappo, la cui estremità inferiore è abbassata nell'ugello 3 in modo che non sia più di 1 cm nell'acqua. / uscirà una quantità d'acqua tale da stabilire il livello iniziale del liquido nell'ugello 3.

Per riscaldare piccole provette, si consiglia di utilizzare piccoli bicchieri come bagnomaria. Sono stati proposti molti metodi per fissare le provette in questi casi. È conveniente utilizzare un dispositivo (Fig. 214), che può essere facilmente realizzato da chiunque lavori in laboratorio. Al centro di un tappo di sughero di dimensioni adeguate (un bicchiere), viene rinforzato un fermacavo. Nel sughero vengono praticati 3-4 o più fori, il cui diametro è 1 mm più grande del diametro delle provette. Una provetta con la sostanza da riscaldare viene inserita nel tappo scartato e quest'ultimo viene posto in un bicchiere di acqua calda.

Se il laboratorio dispone di una fornitura di vapore, è molto conveniente utilizzarlo per riscaldare i bagni d'acqua, in particolare quelli di gruppo con molti nidi. Qualsiasi officina meccanica può adattare un bagnomaria per il riscaldamento con vapore. La disposizione di un bagnomaria riscaldato a vapore ricorda un bagno di vapore (vedi sotto).