Процессы и аппараты пищевых производств

Лабораторная работа.
Изучение работы теплообменного аппарата.
Цель работы: Из экспериментальных данных определить мощность
теплообменного аппарата, коэффициент теплопередачи от нагревающей воды в
испарителе к кипящему фреону, коэффициент теплоотдачи от поверхности
трубы к кипящему фреону.
Приборы и принадлежности:
1. Теплобменный аппарат.
2. Термостат прокачивающий.
3. Образцовый дифференциальный манометр.
4. Сосуд Дьюара.
5. Термопары.
6. Термопарный переключатель.
7. Ротаметры.
8. Вентили регулирующие.
9. Лед.
10. Рабочая жидкость – фреон-11.
Описание экспериментальной установки.
Экспериментальная установка состоит из цилиндрического корпуса 1 со
смотровыми окнами. Корпус покрыт слоем теплоизоляции. В нижней части
корпуса находится испаритель 2, представляющий собой U-образную
нержавеющую трубку, по которой прокачивается горячая вода. В верхней части
корпуса находится конденсатор 3, представляющий собой U-образную
нержавеющую трубку, внутри которой протекает охлаждающая вода. Давление
в объеме измеряется с помощью образцового манометра 4. Температура воды,
прокачиваемой через испаритель, поддерживается постоянной с помощью
термостата 10. Расход воды регулируется вентилем 9 и измеряется с помощью
ротаметра 8. Расход воды через конденсатор регулируется вентилем 7 и
измеряется с помощью ротаметра 6. Температура воды измеряется термопарами
5, которые установлены на входе и на выходе в испаритель и в конденсатор.
Показания термопар регистрируются с помощью термопарного переключателя.
Методика проведения работы.
Включают прокачивающий термостат и с помощью регулировочного
вентиля устанавливают необходимый расход горячей воды через испаритель (80
делений по ротаметру). Наблюдая за показаниями термопар, фиксируют
установившийся тепловой режим (показания всех термопар будут неизменными
во времени). Далее замеряют показания температуры нагревающей воды на
входе в испаритель и на выходе, а также температуру охлаждающей воды на
входе и на выходе из конденсатора (расход холодной воды – 40 делений по
ротаметру); давление паров фреона – 11 в объеме камеры; показания
ротаметров, измеряющих расход охлаждающей воды через конденсатор и
расход нагревающей воды через испаритель. Данные заносят в отчетную
таблицу №1.
Отчетная таблица.
Исполнители работы: 1._________________________________________________________
2._________________________________________________________
3._________________________________________________________
Место
установки
термопары
№
п/п
Температу
ра, оС
Количество
делений
ротаметра
nисп., дел.
Количество
делений
ротаметра
nконд., дел.
Таблица 1.
Количество
делений
манометра
nманометра, дел.
Вход исп.
Выход исп.
Вход конд.
Выход конд.
Дата _______________
Место
установки №
термопары
п/п
Вход исп.
Подпись _________________
Т,
0
С
Vисп.
м3/с
Vконд.
м3/с
Таблица 2.
Pнас.,
tнас,
0
Па
C
Выход исп.
Вход конд.
Выход конд.
Дата _______________
Подпись _________________
Таблица 3.
Параметр
Тепловая
мощность
аппарата,
Q
Тепловой
поток,
q
Средняя
разность
температур,
Δtср
Коэффициент Коэффициент
теплопередачи теплоотдачи
от воды к
от воды к
фреону,
трубе,
к
α1
Коэффициент
теплоотдачи
от трубы к
фреону,
α2
Ед.
измерения
Значение
Дата _______________
Подпись _________________
Обработка опытных данных.
С помощью переключателя термопар определить температуры воды на
входе и выходе из испарителя и конденсатора. С помощью интерполяционных
формул найти расход через испаритель и конденсатор.
Определение давления: Образцовый дифференциальный манометр
измеряет разность между давлением в камере и атмосферным давлением,
поэтому необходимо сначала определить давление, измеренное манометром P м,
а затем добавить к нему атмосферное давление Pатм=101325 Па. Давление
насыщенных паров фреона – 11 в корпусе теплообменного аппарата:
Pнас= Pм+ Pатм,
Так как существует однозначная связь между температурой насыщенных
паров и давлением жидкости, то температуру паров можно определить по
давлению с помощью табличных данных (Табл. 1.) зависимости Pнас=f(tнас).
Расчет основных параметров процесса теплообмена.
Теплоту, которая передается от воды к фреону можно определить по формуле:
Q=ρ Vисп cp (tвход-tвыход),
Где ρ - плотность воды, cp – теплоемкость при постоянном давлении, tвход и tвыход
– температура воды на входе и на выходе из испарителя.
Тепловой поток через единицу наружной поверхности трубы испарителя
равен:
q
Q
F
где F – площадь наружной поверхности испарителя.
Определим среднюю разность температур между греющей и нагреваемой
жидкостями, в качестве нее используют средне-логарифмическую разность
температур:
t  t М
,
t CP  Б
t Б
ln
t М
где t Б  t входа  t нас , t M  t выхода  t нас - больший и меньший температурные напоры
t
t  tМ
между рабочими жидкостями. Если Б  1.7 , то tСР  Б
.
t М
2
Зная тепловой поток и среднюю разность температур можно определить
коэффициент теплопередачи от воды к фреону – 11:
k
q
t ср
Внутри трубы
механизм передачи тепла вынужденная конвекция.
Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке испарителя  1 , при турбулентном
движении жидкости можно определить по формуле:
Nu=0,021 Re0,8Pr0,43
αd
где Nu 
– критерий Нуссельта;  - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 К; d λ
внутренний диаметр трубки испарителя, м;  - теплопроводность жидкости,
Вт/м К; Re 
ud
– критерий Рейнольдса,  – плотность жидкости, кг/м3; u –

скорость течения жидкости, м/с;  – динамическая вязкость жидкости, Па с;
Pr 

– критерий Прандтля,  - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; a –
a
температуропроводность
жидкости,
м2/с.
Необходимые
для
расчета
теплофизические свойства воды взять из табл. 2. Pr = 3.925. Сначала находим
значение критерия Нуссельта Nu по выражению представленному выше, а из
него выражаем коэффициент теплоотдачи от воды к стенке  1 .
Для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки испарителя к кипящему
фреону α2 можно записать
называется
коэффициентом
q  k  t CP ,
где k  1 (
теплопередачи
d
d
1 d2
1
 2 ln 2  )
1 d1 2W d1  2
отнесенным
к
наружной
поверхности трубы и измеряется в Вт/м2 К, d 1 , d 2 – внутренний и наружный
диаметры трубы; 1 – коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы;  2 –
коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к фреону;  W – коэффициент
теплопроводности стенки испарителя.
В практических расчетах при d 2 d1  2 коэффициент теплопередачи
можно брать как для плоской стенки, погрешность расчета не превышает 4%.
k 1 (
1
1


1

)
W  2 , где δ толщина стенки трубы.
Зная коэффициент теплопередачи k, коэффициент теплоотдачи от воды к
стенке трубы 1 , толщину стенки трубы δ и коэффициент теплопроводности
трубы  W найти  2
Оформить отчет и сделать выводы о проделанной работе.
Тарировочные зависимости, геометрические размеры и свойства
жидкостей.
Цена деления манометра 0,01 кг g/см2.
Объемный расход воды через испаритель:
Где a=5*10-7 м3/с
b=2,49*10-6 м3/с
VИСП(n)=a*nисп.+b
Объемный расход воды через конденсатор: Vконд(n)=a1*nконд.+b1
Где a1=7,461*10-7 (м3/с).
b1=171,9* 10-7м3/с
Размеры испарителя:
d1=6 мм – внутренний диаметр;
d2=8 мм – наружный диаметр;
Lисп=0,961 м – длина испарителя.
Размеры конденсатора:
D=10 мм – наружный диаметр;
d=8 мм – внутренний диаметр;
Lконд=0,961 м – длина конденсатора.
Коэффициент теплопроводности нержавеющей
изготовлена стенка трубы испарителя λW=14 Вт/м*К.
стали
из
которой
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Михеев М.А.. Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М. Энергия, 1973 –
319 с.
2. Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств./ Под
ред. Проф. С.М. Гребенюка и доц. И.М. Михеевой - М.: Агропромиздат,
1987. – 304 с.
3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.:
Энергоатомиздат, 1981, - 417с.
4. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: «Высшая
школа» - 1975.
5. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной
промышленности/ Данилова Г.Н., Филаткин В.Н., Щербов М.Г., Бучко
Н.А. – М.: «Пищевая промышленность», 1976 г.-240 с.