Физические характеристики жидкостей

Плотность (r) определяется продуктом.

Удельная теплоемкость (с_p) также определяется продуктом. Эта характеристика соответствует количеству тепла, которое должно быть сообщено продукту для увеличения его температуры на 1°С.

Другая важная физическая характеристика – вязкость. О ней будет рассказано в разделе, посвященном общему коэффициенту теплопередачи.

Температурная программа

Цель теплопередачи – нагрев или охлаждение определенного количества продукта – например, молока от определенной температуры на входе до требуемой температуры на выходе. Это достигается в теплообменнике с помощью рабочей жидкости – например, воды. Молоко обогревается горячей водой, температура которой соответственно снижается.

Необходимо рассмотреть следующие аспекты температурной программы: изменение температур, разницу в температурах взаимодействующих жидкостей и направление потоков жидкостей.

Изменение температур

Температура продукта на входе и на выходе из теплообменника определяется предшествующими и последующими этапами технологического процесса. Изменение температуры продукта обозначено в вышеприведенной формуле символом D_t. Оно может быть определено как D_t1= t₀₁ – t_i1.

Температура рабочей жидкости на входе определяется условиями технологического процесса. Температура рабочей жидкости на выходе может быть определена расчетом энергетического баланса. Для современного теплообменника потери энергии в окружающую атмосферу настолько малы, что их можно не принимать в расчет. Таким образом, тепловая энергия, отдаваемая горячей жидкостью, равна тепловой энергии, поглощаемой холодной жидкостью, то есть обеспечивается энергетический баланс. Это может быть отражено в следующей формуле:

Пример: для изготовления сыра требуется нагреть 20 000 л/ч сырного молока (V₁) с 4°С до 34°С с помощью 30 000 л/ч горячей воды (V₂), температура которой = 50°С. Плотность (r) и удельная теплоемкость (C_p) составляют для молока около 1020 кг/м³ и 3,95 кДж/кг, а для воды соответственно 990 (при 50°С) и 4,18.

Теперь, пользуясь вышеприведенной формулой, можно рассчитать изменение температуры горячей воды:

20 000 × 1 020 × 3,95 (34–4) = 30000 × 990 x 4,18 × ∆t2

∆t2 = 19,5°С. Таким образом, температура горячей воды снизится на 19,5° – с 50 до 30,5°С.

V1 × ρ1 × cp1 × ∆t1 = V2 × ρ2 × cp2 × ∆t2

• Температурная программа

A – необходимая площадь теплопередачи

V – расход продукта

ρ – удельная плотность продукта

cp – удельная теплоемкость продукта

∆t – изменение температуры продукта

∆tm – средняя логарифмическая разность температур

k – общий коэффициент теплопередачи

A = V × ρ ×cp × ∆t ∆tm × k

Средняя логарифмическая разность температур (СЛРТ)

Уже отмечалось: чтобы произошла теплопередача от одной среды к другой, у них должна быть разная температура. Движущая сила в этом процессе – разность температур.

Чем больше разница в температурах, тем больше передается тепла и тем меньших размеров требуется теплообменник. Однако для деликатной продукции разница в температурах не должна превышать определенного предела.

Разность температур в пределах одного теплообменника может изменяться. Для расчетов принимается определенное среднее значение – СЛРТ. В вышеприведенной общей формуле оно обозначено как ∆tm. Используя обозначения его можно рассчитать по следующей формуле:

В примере при нагреве молока, идущего на изготовление сыра, средняя логарифмическая разность температур D_tm, вычисленная по этой формуле, составляет 20,8°С.

Важным фактором, который учитывается при определении средней логарифмической разности температур, является направление потоков жидкостей в теплообменнике. Существуют два основных варианта: прямоточный и противоточный.

Противоточная схема

Разность температур взаимодействующих потоков наиболее эффективно используется при их движении через теплообменник в противоположных направлениях.

По мере прохождения по своему каналу продукт постепенно нагревается до температуры, которая всего лишь на несколько градусов ниже, чем у нагревающей среды. Такая схема называется противоточной.

Прямоточная схема

Данный вариант предусматривает такое устройство, в котором оба потока жидкости поступают в теплообменник с одного конца и текут в одном и том же направлении. При такой схеме невозможно нагреть продукт до температуры, превышающей получаемую при смешивании продукта и нагревающей среды.

Это ограничение не распространяется на вариант с противотоком, при котором продукт нагревается до температуры всего лишь на два-три градуса ниже температуры нагревающей среды на входе в теплообменник.

Общий коэффициент теплопередачи

Этот коэффициент (k) определяет степень эффективности теплообменника. Он показывает, сколько тепла, проходящего через 1 м² перегородки, приходится на 1°С разности температур. Этот же коэффициент используется при расчете теплоизоляции зданий, хотя в таком случае цель строителей прямо противоположна, а именно – добиться минимально возможного значения k, в то время как для теплообменников этот показатель должен быть как можно выше.

Коэффициент зависит от следующих факторов:

• Допустимых перепадов давления жидкостей

• Вязкости жидкостей

• Формы и толщины перегородки

• Материала перегородки

• Наличия пригорания молока на поверхности теплообменных аппаратов.

Допустимые перепады давления

Для увеличения значения коэффициента k и улучшения теплопередачи можно уменьшить диаметр канала, по которому течет продукт. В результате сокращается расстояние, которое должно пройти передаваемое тепло от перегородки до середины канала. При этом, однако, сужается и сам поток.

(ti2 – to1) – (to2 – ti1) ∆tm = (ti2 – to1) (to2 – ti1) ln

Это приводит к двум последствиям:

а) возрастает скорость потока в канале, что, в свою очередь,

б) увеличивает турбулентность потока.

Чем больше перепад давления продукта и нагревающей среды, тем больше передается тепла и тем меньших размеров требуется теплообменник.

Однако продукты, чувствительные к механическим воздействиям (например, молочный жир), могут пострадать от агрессивной обработки. По мере движения потока в теплообменнике давление постепенно снижается, и поэтому давление продукта перед поступлением в теплообменник должно быть увеличено, чтобы компенсировать это снижение и принудить поток продвигаться по суженному каналу. С этой целью может возникнуть необходимость установки подкачивающего насоса. В некоторых странах установка подкачивающего насоса обусловлена требованием законодательства, чтобы обеспечить более высокое давление со стороны продукта и таким образом избежать попадания непастеризованного продукта в пастеризованный.

Вязкость

Вязкость продукта и теплоносителя является важным фактором, который учитывается при определении размеров теплообменника. Жидкость, отличающаяся высокой вязкостью, развивает меньшую турбулентность при движении в теплообменнике по сравнению с жидкостью с более низкой вязкостью. Это означает потребность в более крупном теплообменнике при всех прочих одинаковых параметрах. Например, для сливок требуется более крупный теплообменник, чем для молока, при аналогичной расчетной производительности и температуре.

Особое внимание следует уделять продуктам с поведением потока, типичным для неньютоновских жидкостей. У этих продуктов очевидная вязкость зависит не только от температуры, но и от коэффициента сдвига. Продукт, который кажется довольно плотным, когда он находится в открытой емкости, может двигаться под действием насоса по трубам или в теплообменнике с неожиданно высокой скоростью. Поведение таких продуктов в потокеможет быть измерено с помощью специальных приборов с целью выполнения точных расчетов в дальнейшем (см. также главу 3 – “Реология”).

Форма и толщина пластины

Пластина часто выполняется гофрированной, чтобы придать потоку повышенную турбулентность, которая, в свою очередь, улучшает теплопередачу.

Толщина также играет важную роль. Чем тоньше пластина, тем лучше теплопередача.

Но при этом необходимо соблюсти чувство меры, обеспечив достаточную прочность перегородки, чтобы она могла противостоять давлению потоков жидкостей.

Современные конструкции и производственные технологии позволяют изготовлять более тонкие перегородки, чем несколько лет назад.

Материал пластин

В пищевой промышленности традиционно используется нержавеющая сталь, обладающая довольно хорошей теплопроводностью.

Пригорание

Большинство молочных продуктов чувствительны к нагреву, который поэтому необходимо выполнять очень аккуратно во избежание изменений в продуктах. При кипячении молока в кастрюле белки будут коагулировать и пригорать.

То же произойдет в теплообменнике, если теплопередающая поверхность будет чрезмерно горячей. Температура нагревающей среды должна быть поэтому как можно ближе к температуре продукта и составляет обычно значение, на 2–3 градуса превышающее температуру пастеризации. Если поверхность слишком горяча по отношению к продукту, его белки свернутся и осядут на перегородках в виде тонкого слоя. Тепло должно будет в таком случае преодолевать и этот слой, что приведет к уменьшению общего коэффициента теплопередачи.

Разность температур между теплоносителем и продуктом в таком случае уже не будет достаточной для передачи того же количества тепла, что и раньше, и температура продукта на выходе снизится. Это может быть компенсировано повышением температуры нагревающей среды, но тогда также поднимется температура.

Форма пластины в теплообменнике пластинчатого типа может различаться в зависимости от того, какой продукт должен проходить обработку, и от требований к коэффициенту теплопередачи, теплопередающей поверхности, что приведет к коагуляции и оседанию на поверхности дополнительного количества белков, увеличению толщины пригара и дальнейшему уменьшению коэффициента k. На этот коэффициент также влияют уменьшение или увеличение скорости прохождения жидкости через теплообменник, поскольку это отражается на характеристиках потока. Повышение мощности потока приводит к его большей турбулентности и повышает значение k. Замедление потока делает его более ламинарным и снижает значение k. Поэтому обычно желательно избегать изменений расхода в пределах теплообменника, но в целях повышения экономичности может оказаться необходимым практиковать определенные вариации в некоторых видах производства.

Пример: Для выше рассмотренного варианта с теплообменником для молока, из которого делают сыр, предположим, что коэффициент теплопередачи составляет около 5000 Вт/м², если используется теплообменник пластинчатого типа из нержавеющей стали и его листы не слишком загрязнены.

Другие параметры для решения задачи, приведенной на стр. 81, таковы:

– расход = 20 000 л/ч

– плотность = 1020 кг/м³

– удельная теплоемкость = 3,95 кДж/кг K

– изменение температуры = 30°С

– разность температур = 20,8°С

– коэффициент теплопередачи = 5000 Вт/м² K

Размер теплопередающей поверхности рассчитывается следующим образом:

Таков теоретический расчет. На практике же следует учитывать и чувствительную природу продукта, и требования технологии. Двумя такими факторами, не учтенными формулой, являются чистота теплообменника и время его беспрерывной работы.

Mойка

По окончании производственного цикла теплообменник должен быть очищен. Mойка выполняется с помощью моющих средств, циркулирующих там, где прошло молоко. О процессе мойки специально рассказывается в главе 21.

Для обеспечения эффективной мойки теплообменник должен конструироваться с учетом не только необходимых тепловых режимов, но и технологии мойки.

Если в некоторых участках теплообменника сосредоточено несколько параллельных каналов, то там в процессе мойки возникает недостаточная турбулентность и промывка загрязненных поверхностей оказывается недостаточно эффективной. С другой стороны, там, где таких параллельных каналов слишком мало, возникает чрезмерная турбулентность, что ведет к значительному снижению давления.

Такое снижение может привести к падению расхода моющего раствора и уменьшению таким образом эффективности мойки. Следовательно, необходимо конструировать такой теплообменник, который позволил бы осуществлять эффективную мойку его рабочих поверхностей.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: