Расчет тепловых аппаратов

Между тепловой энергией, отдаваемой теплоносителем (левая часть) и тепловой энергией, воспринимаемой продуктом, (правая часть), существует следующая зависимость:

, (III-1)

где: a — коэффициент теплоотдачи греющей среды к поверхно­сти нагреваемого продукта, вт/(м²×град);

t_c —температура греющей среды, ⁰С;

t_п — температура поверхности иродукта,

t₀ — температура внутри продукта на растоянии от их поверхности, ^СС

l — коэффициент теплопроводности продукта, вт/(м×град);

l — толщина слоя продукта, через которую передается

тепло, м.

Чем больше разность t_c — t_п, которая называется потенциа­лом теплового процесса, тем интенсивнее процесс.

Количество тепла, потребное для нагревания какого-нибудь тела, в общем виде определяют по формуле

дж, (III-2)

где: с — теплоемкость тела, или количество тепла, потребное для нагревания 1 кг данного тела на 1°С, дж;

G — масса тела, кг;

t₁ — начальная температура тела, °С;

t₂ — конечная температура тела, °С.

Теплоемкость некоторых мясопродуктов, используемая в рас­четах, приводится ниже.

Тела Теплоемкость,

кДж/(кг×град)

Говядина.............. 3,2

Свинина.............. 2,7

Кровь цельная........... 3,5

Кровь сухая............ 1,7

Костное вещество

плотное............ 1,3

пористое............ 3,0

Мясной фарш ........... 4,3—6,2

Жир

говяжий............ 3,4—4,1

топленый........ 2,6

Шпик свиной посоленный.. 4,3—4,7

Вода ............... 4,19

При нагревании какого-нибудь тела тепловая энергия от од­ного тела, имеющего более высокую температуру, переходит к другому телу с более низкой температурой. Этот процесс назы­вают теплопередачей, которая может осуществляться тремя спо­собами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием.

Теплопроводность — передача тепловой энергии меж­ду частицами двух или нескольких твердых тел или жидкостей, соприкасающихся непосредственно, а в газах путем диффузии молекул.

Количество тепла, передаваемое теплопроводностью, опреде­ляют по эмпирическому закону Фурье:

дж, (III-3)

где: F—поверхность, через которую осуществляется тепло­передача, м²;

t — продолжительность теплопередачи, ч;

t₁ и t₂ — температуры поверхностей тел, ⁰С;

d — толщина юла (стенки), через которое осуществля­ют теплопередачу, м;

l — коэффициент теплопроводности, дж/(м × ч ×град), определяемый опытным путем.

Формула (III-3) применима для однослойной плоской стенки. Если разделяющая стенка состоит из нескольких слоев разной толщины и теплопроводности, то формула примет следующий вид:

дж, (III-4)

где: n — число слоев;

d₁, d₂, d_n — толщины слоев, м;

l₁, l₂, l₃ — теплопроводности слоев, дж/ (м × ч× град).

Если теплопередача осуществляется через цилиндрическую однослойную стенку, причем толщина этой стенки больше диа­метра, применима такая формула:

дж, (III-5)

где: l — длина цилиндрической стенки, м;

d_н — наружный диаметр стенки, м;

d_в — внутренний диаметр стенки, м.

t₁ и t₂ — температуры па поверхности цилиндрической стен­ки, °С.

Конвекция — передача тепловой энергии при помощи дви­жущихся частиц жидкости или газа, перемещающихся из одной части пространства в другую вследствие разности их удельных весов или в результате принудительного перемещения при по­мощи мешалок, насосов или вентиляторов. Частицы жидкости (или газа), соприкасаясь с твердой поверхностью, либо отдают тепло, либо воспринимают его. Этот процесс называют теплоот­дачей, уравнение которого в общем виде следующее:

дж, (III-6)

где: а — коэффициент теплоотдачи, показывающий какое коли­чество тепла отдается или воспринимается окружающей средой на поверхности 1 м² при разности температур в 1°С в течение часа, дж.

Значения этого коэффициента, найденные опытным путем (по Греберу), следующие.

В практике передача тепла осуществляется обычно несколь­кими способами. Если при передаче через плоскую стенку имеет место одновременно теплопроводность и конвекция, то формула принимает следующий вид:

дж, (III-7)

где: a₁ — коэффициент теплоотдачи от среды к стенке, дж;

a₂ — коэффициент теплоотдачи от стенки к другой среде, дж/(м² × ч × град).

Если выражение обозначить k, то

дж, (III-8)

где: k — всеобщий коэффициент теплопередачи.

Если разделяющая перегородка состоит из нескольких слоев, то всеобщий коэффициент теплопередачи k будет равен

дж(м² × ч × град) (III-9)

Лучеиспускание — передача тепловой энергии электро­магнитными волнами, излучаемыми с поверхности нагретого те­ла. Интенсивность лучеиспускания зависит от степени нагрева тела, состояния и температуры его поверхности.

Количество выделяющейся при лучеиспускании тепловой энергии находят, пользуясь законом Стефана — Больцмана:

дж, (III-10)

где: с — коэффициент лучеиспускания, дж/(м²×ч × град);

Т₁ — абсолютная температура излучающей стенки (Т₁ = 273 + t₁);

Т₂ — абсолютная температура окружающего пространства;

F — поверхность излучающего тела, м²;

t — продолжительность излучения, ч.

Коэффициент лучеиспускания находят по формуле:

,

где: с₁ — коэффициент лучеиспускания тела, отдающего теп­лоту;

с₂ — коэффициент лучеиспускания тела, воспринимающе­го теплоту;

с_макс — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного те­ла; с_макс == 4,90.

Для проведения теплового расчета оборудования необходи­мо определить суммарный расход тепла в аппарате, продолжи­тельность процесса и основные размеры (поверхность нагрева) аппарата.

Суммарный расход тепла определяют по следующим отдель­ным статьям расхода:

Q₁ — подогрев металлических частей аппарата и изоляции;

Q₂ — нагрев продукта и его тепловая обработка;

Q₃ — потери тепла в окружающую среду;

Q₄ — подогрев тары или транспортных устройств;

Q₅ — потери тепла, уносимого паром или паро-воздушной смесью, и т. д.

Суммарный расход тепла будет равен

SQ=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+…+Q_n.

Соответствующие статьи расхода тепла определяют по формулам (III-3) и (111-10).

Продолжительность поверхностной тепловой обработки нахо­дят с достаточной точностью по формуле:

, (III-11)

где: q₀— удельные затраты тепла, дж/м², обрабатываемой по­верхности (q₀ = 1,6—2,1 мдж/м²);

j—коэффициент, учитывающий условия теплообмена (j = 0,5-0,9);

а — коэффициент теплоотдачи от среды к телу, дж/(м²×ч х град)

Dt — полезный перепад температур, °С.

Потребную поверхность нагрева аппарата определяют из следующего уравнения.

м² , (III-12)

где: SQ — суммарный расход тепла в данном аппарате, дж;

k — всеобщий коэффициент теплопередачи, дж/(м²×ч х град);

Dt — разность температур между теплоносителем и средой, воспринимающей тепло, °С;

t — продолжительность теплового процесса, ч.

Если в процессе теплопередачи температура теплоносителя и окружающей среды изменяется, определяют среднюю разность температур.

Обозначим разность температур в начале процесса Dt_н, а в конце процесса Dt_к.

Если отношение , то средняя разность температур определяют как среднюю арифметическую, или

. (III-13)

В противном случае среднюю разность температур опреде­ляют как среднюю логарифмическую по формуле

. (III-14)

Расход теплоносителя — греющего пара — находят по фор­муле

, (III-15)

где: D — расход пара, кг;

i — теплосодержание пара, дж/кг (находят по таблицам);

t_k — температура греющего пара (при данном давлении р).

Пользуясь приведенными формулами, производят тепловой расчет оборудования. Для перехода от повой системы единиц СИ к МКС необходимо учитывать, что 1 ккал = 4,19 кдж.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: