курсовая. Ажар. Нагревание. Сравнительный анализ устройства и принципов действия теплообменных аппаратов

• Название: Нагревание. Сравнительный анализ устройства и принципов действия теплообменных аппаратов
• Анкор: курсовая
• Дата: 13.04.2023
• Размер: 5.33 Mb.
• Имя файла: Ажар.docx
• Тип: Курсовая; #1060171

Министерство науки и высшего образования Республики Казахстан
Костанайский региональный университет имени А. Байтурсынова
Кафедра технологии переработки и стандартизации

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Нагревание. Сравнительный анализ устройства и принципов действия теплообменных аппаратов»

Дисциплина «Процессы и аппараты пищевых производств»

Образовательная программа 6В07201-Технология продовольственных продуктов
Выполнила: Байжанова А.Ж., студентка 2 курса
Руководитель: Саидов А.М., м.э.н., ст.преподователь
Защита курсовой работы

состоялась ___ _______20__г.

оценка_________________
Костанай, 2023

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1. НАГРЕВАНИЕ. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 4

1.1 Определение, характеристика и описание процесса нагрева, классификация способов нагревания. 4

1.2 Современные теплообменные аппараты, их характеристики и конструктивные особенности. Принцип работы данных аппаратов. 9

1.3 Неисправности теплообменных аппаратов и меры по их быстрой ликвидации. 16

1.4 Правила техники безопасности при работе с теплообменными аппаратами, а также нормы, которые необходимо соблюдать для безопасной работы человека. 16

1.5 Преимущества конкретных аппаратов над другими на основе различия их производительности, эффективности, технологичности, технических характеристик, безопасности и удобства эксплуатации. 16

Введение

Нaгрeваниe - прoцeсс пoвышения темпeрaтуры матeриaлoв путeм подвoда к ним тeплoты. Ширoко распрострaнeнными метoдами нaгревaния в пищевой технологии являются нагревание горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром, топочными газами и электрическим током.

Нагревание водой используют для повышения температуры и пастеризации пищевых продуктов при температурах ниже 100 0С. Для нагревания до температуры выше 100 °С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением. Обычно обогрев водой осуществляется через разделяющую теплоноситель и продукт стенку аппарата.

При нагревании водой или другими жидкостями, например маслом, органическими теплоносителями, часто применяют циркуляционный способ обогрева. По этому способу горячая вода (либо другой теплоноситель) циркулирует между нагревателем и теплообменником, в котором она отдает теплоту. Циркуляция может быть естественной или принудительной. Естественная циркуляция происходит за счет разности плотностей горячего и холодного теплоносителей.

Более эффективным является способ обогрева при принудительной циркуляции, которую осуществляют с помощью насоса.

Для обогрева теплиц при выращивании огурцов, томатов и других овощей используют горячую воду, отходящую от заводских теплоиспользующих установок, говорится на сайте https://helpiks.org/4-85400.html

Целью работы является провести сравнительный анализ устройства и принципов действия теплообменных аппаратов и обосновать выбор наиболее целесообразного и эффективного оборудования для проведения процесса нагревание.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить теорию процесса нагревания, дать определение и описание процессу, привести классификацию способов нагревания.

- изучить современные теплообменные аппараты, их характеристики и конструктивные особенности, описать принцип работы данных аппаратов.

- проанализировать возможные неисправности теплообменных аппаратов и привести меры по их быстрой ликвидации.

- описать правила техники безопасности при работе с теплообменными аппаратами, привести нормы, которые необходимо соблюдать для безопасной работы человека.

- провести сравнительный анализ и обосновать преимущества конкретных аппаратов над другими на основе различия их производительности, эффективности, технологичности, технических характеристик, безопасности и удобства эксплуатации.

1. НАГРЕВАНИЕ. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

1.1 Определение, характеристика и описание процесса нагрева, классификация способов нагревания.

Нагрев - это процесс повышения температуры материалов за счет подачи к ним тепла. В пищевой промышленности широко используются методы нагрева горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром, дымовыми газами и электрическим током.

Процесс нагрева широко используется в химической технологии для ускорения многих процессов массового обмена и химического превращения. Используются наиболее распространенные методы нагрева водяного пара, дымовых газов, промежуточных теплоносителей и электрического тока.

Нагрев дымовых газов является наиболее часто используемым методом нагрева в химической промышленности. Этот метод используется для нагрева сред до температур 180-1000°C. Дымовые газы образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в печах или печах различной конструкции.

Характеристики нагревателя включают в себя следующие факторы: значительные колебания температуры и низкие коэффициенты теплопередачи от дымовых газов к стенкам прибора 15-35 Вт/(м2К).

При нагревании дымовыми газами достигаются высокие тепловые нагрузки, но сам процесс имеет ряд недостатков: сложность регулирования температуры процесса, что затрудняет достижение однородности поверхностей нагрева; при разбавлении дымовых газов большим количеством воздуха происходит окисление металла; воспламеняемость самого процесса.

Нагрев дымовыми газами осуществляется в трубчатых печах, топках реакционных котлов, автоклавах.

Нагрев с использованием промежуточных теплоносителей. Когда многие материалы нагреваются для поддержания их качества или обеспечения безопасной эксплуатации, недопустим даже кратковременный перегрев. В этих случаях используются промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются дымовыми газами, а затем передают воспринимаемое тепло обрабатываемому материалу.

Водяной пар, перегретая вода, минеральные масла, высокотемпературные органические охлаждающие жидкости, смеси расплавленных солей используются в качестве промежуточных носителей.

Электрическое отопление. Когда материалы необходимо нагревать при температуре выше 1000 ° C, в электрических печах используется электрический нагреватель. По способу преобразования электрической энергии в тепло различают печи с электрическим сопротивлением, индукционные печи и дуговые печи. Печи с электрическим сопротивлением делятся на печи прямого действия и печи непрямого действия.

В электрических печах прямого действия нагреваемый корпус подключается непосредственно к электрической цепи и нагревается при прохождении через него электрического тока. В электрических печах сопротивления косвенного действия тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам.

Выделяемое тепло передается материалам за счет излучения, теплопроводности и конвекции. В таких печах происходит нагрев до температуры 1100°C.

В электроиндукционных печах нагрев осуществляется индукционными токами. Нагреваемое устройство представляет собой сердечник обмотки, выполненный в виде электромагнитного клапана, который закрывает устройство. Переменный ток пропускается через электромагнитный клапан, создавая переменное магнитное поле вокруг электромагнитного клапана, которое индуцирует электродвижущую силу в стенках устройства. Под воздействием возникающего вторичного тока стенки устройства нагреваются.

В дуговых печах материалы нагревают до температур 1300-1500°C с помощью электрической дуги. Электрическая дуга возникает в газовой среде. В дуговых печах с большими перепадами температур равномерный нагрев и точный контроль температуры невозможны.

Процессы конденсации широко используются в химической технологии для разжижения различных веществ за счет отходящего от них тепла. Эти процессы выполняются в устройствах, называемых конденсаторами.

Существует два типа конденсации - поверхностная конденсация и конденсация при смешивании. В конденсаторах, которые обеспечивают поверхностную конденсацию, конденсирующиеся пары разделяются стенкой, и конденсация пара происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки. В смесительных конденсаторах конденсирующиеся пары находятся в непосредственном контакте с охлаждающей жидкостью.

Нагрев горячими жидкостями - нагрев с помощью поддонов, которые представляют собой устройства с кожухом. Рубашка нагревается дымовыми газами, электрическим током или насыщенным паром высокого давления, подаваемым на змеевик. Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из теплового баланса.

Нагревать с помощью водяного пара. Для этих целей в основном используется насыщенный и перегретый водяной пар с давлением до 1,2 МПа. Использование пара более высокого давления экономически нецелесообразно.

В зависимости от приложенного давления, температура парового отопления ограничена 190 ° C. В процессе нагрева перегретый пар охлаждается и конденсируется.

Существует два способа нагрева с помощью "острого" и "глухого" водяного пара. При нагревании горячим паром водяной пар подается непосредственно в нагретую жидкость, конденсируется с выделением тепла, и конденсат смешивается с нагретой жидкостью.

При нагревании "острым" паром нагретая жидкость разбавляется конденсатом. Этот метод используется для нагрева воды и водных растворов.

Нагрев "глухим" водяным паром происходит, когда нагретая жидкость не может быть разбавлена образовавшимся конденсатом. В этом случае нагрев осуществляется через перегородку в приборах с кожухами, змеевиками и т. Д.

При нагревании "глухим" паром тепло от конденсирующегося насыщенного водяного пара передается через перегородку нагретому теплоносителю. Нагретый "глухой" пар конденсируется и выводится в виде конденсата из паровой камеры теплообменника. В этом случае предполагается, что температура конденсата равна температуре насыщенного теплового пара.

Чтобы пар полностью конденсировался в паровом пространстве теплообменника, на отводной линии конденсата устанавливают конденсатоотводчики различных конструкций (рис. 1). Конденсатоотводчик пропускает конденсат, но не пропускает пар, поэтому он полностью конденсируется в паровом пространстве Теплообменника, что приводит к существенной экономии пара.

При нагревании «острым» паром водяной пар вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Пар конденсируется и отдает теплоту нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается с жидкостью. Пар вводится через барботер, представляющий собой во многих случаях трубу с отверстиями, согнутую по спирали Архимеда либо по окружности. Впуск пара по барботеру обеспечивает одновременно с нагреванием жидкости ее перемешивание с паром.


Рис. 1. Схема установки конденсатоотводчика:
1 – теплообменник; 2 – продувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик;
4 – вентили; 5 – отводная линия.
Нагревание «острым» паром применяют в тех случаях, когда допустимо разбавление нагреваемой среды водой. Этот способ часто используют для нагревания воды и водных растворов.

Широкому распространению нагревания водяным паром способствуют следующие достоинства этого метода:

высокая удельная теплота парообразования (конденсации) насыщенного водяного пара 1990-2260 кДж/кг;

высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара 5000-18000 Вт/(м2К);

равномерность обогрева поверхности, т.к. конденсация происходит при постоянной температуре.

Нагревание топочными газами, образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных печах, используют, например, для обогрева сушилок.

Недостатками обогрева топочными газами являются: низкий коэффициент теплоотдачи, равный 60...120кДж/(м2 · ч · К), значительные температурные перепады и неравномерный нагрев; сложность регулирования температуры; окисление стенок аппаратов, а также наличие вредных продуктов сгорания, что делает недопустимым применение топочных газов для нагревания пищевых продуктов при непосредственном соприкосновении с ними.

Кроме топочных газов, полученных в специальной печи, используют также отработавшие газы от печей, котлов и т. д. температурой 300...500 °С. Применение отработавших газов не требует дополнительного расхода топлива, поэтому использование их для нагревания весьма рационально.

При нагревании электрическим током используют ток напряжением 220...380 В и частотой 50 Гц, токи высокой и сверхвысокой частоты (СВЧ) с частотой колебаний от нескольких сотен килогерц до тысяч мегагерц.

Нагревание продуктов электрическим током может осуществляться прямым и косвенным действием. При прямом воздействии электрического тока тело нагревается при прохождении через него электрического тока. При косвенном воздействии теплота выделяется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам (ТЭН). Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвекцией. Нагревательные элементы изготовляют из проволоки или ленты нихрома (сплав, содержащий 20 % хрома, 30...80 % никеля, 0,5...50 % железа).

ТЭНы бывают разнообразной формы: цилиндрические, плоские, спиральные, круглые, кольцеобразные. ТЭНы устанавливают в электроплитах, мармитах, варочных котлах, фритюрницах, блинницах, в хлебопекарных печах.

В настоящее время большинство оборудования пищевой промышленности работает на электрическом токе, который практически вытеснил газовые приборы.

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик, помещенный между пластинами конденсатора переменного электрического тока, его молекулы приходят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело.

Для получения токов высокой частоты используют генераторы различных конструкций.

К достоинствам диэлектрического нагревания относятся: непосредственное выделение теплоты в нагреваемом теле, равномерный быстрый нагрев всей массы продукта до требуемой температуры, простота регулирования процесса.

В последние годы широкое применение в пищевой технологии нашел нагрев в поле СВЧ, которое характеризуется сантиметровым диапазоном длин волн и частотой колебаний в тысячи мегагерц. СВЧ-нагрев используют в микроволновых печах для разогревания продуктов, выпечки и т. д., а также для обеззараживания сырья и продуктов.

В диэлектрике колебания молекул связаны с трением частиц между собой. В результате возникающего трения в массе продукта выделяется теплота. Чем больше частота электрического поля, тем больше генерируется в массе продукта

Терм излучение представляет собой сложный физический процесс из-за высокой оптической плотности и неоднородности облучаемых продуктов.

Тепловое излучение - это процесс подачи тепла в изделие инфракрасными генераторами: высокотемпературными обогревателями, кварцевыми лампами и зеркальными лампами.

Использование ИК-обогрева сокращает время обработки продуктов и улучшает качество продукции. Когда продукт облучается ИК-лучами, лучистая энергия преобразуется в тепло. Мощность нагрева зависит от спектральных характеристик генераторов излучения и облучаемого продукта.

Например, при сушке дынь продолжительность процесса в диапазоне ИК-излучения сокращается в 3...5 раз, при этом значительно улучшается качество продукции.

Инфракрасное излучение отличается от других типов электромагнитных колебаний частотой, длиной волны и скоростью распространения. Длина волны ИК-излучения находится в диапазоне 7,7·10-5...3,4·10-2 см (0,77...340 мкм).

1.2 Современные теплообменные аппараты, их характеристики и конструктивные особенности. Принцип работы данных аппаратов.

Начнем с видов теплообменников по их использованию:

1. 
   Кожухотрубные теплообменники- состоят из пучка труб, обьединенных в решетку с помощью пайки либо сварки.
   

2. 
   Пластинчатые теплообменники-имеют площадь теплообмена, состоящую из пластин, соединенных термостойкими уплотнителями. Они же в свою очередь делятся на разборные, паяные, сварные, полусварные:
   

1. 
   Пластинчатые разборные теплообменники-(состоит из отдельных пластин, разделенных резиновыми уплотнениями, двух торцевых камер, рамы и крепежных болтов).
   

2. 
   Пластинчатые паяные теплообменники-(состоит из серии металлических гофрированных пластин из нержавеющей стали, соединенных между собой вакуумной пайкой с помощью медной или никелевой пайки).
   

3. 
   Пластинчатые сварные теплообменники- они предназначены для использования при чрезвычайно высоких температурах и давлениях в установках, параметры которых не позволяют использовать уплотнения. Эти теплообменники отличаются высокой эффективностью, небольшими размерами и не требуют особого технического обслуживания. Материал пластин - нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы.
   

4. 
   Пластинчатые полусварные теплообменники- подобно сварочным аппаратам, пластины свариваются в кассеты, но методом соединения кассет друг с другом с помощью паронитных соединений. Область применения - технические процессы с агрессивными средами. Полу сварной пластинчатый теплообменник выполнен в виде конструкции, состоящей из небольшого количества сварных модулей. А они, в свою очередь, соединены лазерной сваркой в виде пары пластин. Вся эта конструкция крепится винтами между торцевыми пластинами. Между каждым сварным модулем проложено резиновое уплотнение.
   

3. 
   Спиральные теплообменники-(поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделителю (керну) и свернутыми в виде спирали). В спиральном теплообменнике, в отличии от РПТО используются всего две пластины, свернутые вокруг керна в спираль и «упакованные» в сваренные кожух.
   

Теплообменник с плавающей головкой: устройство и принцип работы

Теплообменник с плавающей головкой - это тип трубопроводных устройств, предназначенных для охлаждения или нагрева рабочей среды. Процессы теплообмена, как правило, осуществляются с участием воды и пара (или другого газа). Особенностью конструкции плавучего теплообменника является возможность работы даже с сильно загрязненными жидкостями.

Эти теплообменники используются в химической, нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, газовой, жилищной, пищевой, металлургической, пивных, перерабатывающих, перерабатывающих и других отраслях промышленности, а также в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности.

Преимуществами данного аппарата, являются;

• Надежность.

• Универсальность в плане рабочей среды.

• Простота обслуживания.

• Длительная эксплуатация.

1.3 Неисправности теплообменных аппаратов и меры по их быстрой ликвидации.

1.4 Правила техники безопасности при работе с теплообменными аппаратами, а также нормы, которые необходимо соблюдать для безопасной работы человека.

1.5 Преимущества конкретных аппаратов над другими на основе различия их производительности, эффективности, технологичности, технических характеристик, безопасности и удобства эксплуатации.