Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Bezprzeponowa wymiana ciepła
Opracowanie: L. Zander
Przenoszenie ciepła w operacjach cieplnych może odbywać się w przeponowych
wymiennikach ciepła lub przy bezpośrednim kontakcie czynników (tzn. bezprzeponowo).
W tym ostatnim przypadku procesy cieplne prowadzą jednocześnie do zmiany
koncentracji składników suchej substancji produktu. Do najczęściej spotykanych operacji
prowadzonych bezprzeponowo należy podgrzewanie czynników ciekłych bezpośrednio
parą wodną. Nasycona para wodna w kontakcie z chłodniejszym produktem ulega
skropleniu, co jednocześnie powoduje jego lekkie rozcieńczenie. Kontakt produktu może
mieć miejsce w wyniku wtrysku pary do strumienia mleka w tzw. iniektorze
zainstalowanym w rurociągu (rys. 1a) lub w komorze infuzyjnej (rys. 1 b), wypełnionej
parą, do której wtryskuje się mleko. W obu przypadkach para powinna być wytworzona
z wody pitnej, a instalacja parowa musi odpowiadać wszystkim wymogom higienicznym
stawianym instalacjom procesowym w przemyśle spożywczym.
Bardzo często po bezpośrednim podgrzaniu czynnika parą stosuje się operację
oziębiania próżniowego (rys. 1c). Proces ten polega na wprowadzeniu podgrzanej cieczy
do komory próżniowej, w której panuje ciśnienie odpowiadające temperaturze nasycenia
pary wodnej równej żądanej końcowej temperaturze ochładzania produktu, niższej od
jego temperatury początkowej. W tych warunkach ciecz wrze kosztem ciepła
przegrzania, co prowadzi do odparowania części wody z produktu. Parametry
następujących po sobie operacji podgrzewania bezpośredniego i oziębiania próżniowego
powinny być tak dobrane, aby zachować niezmienną zawartość suchej substancji
w produkcie. Oziębianie próżniowe stosuje się także w instalacjach wyparnych, gdy
pożądane jest błyskawiczne schładzanie koncentratu.
© L. Z. Zander 1/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Cel ćwiczenia:
1. poznanie istoty bezprzeponowej wymiany ciepła poprzez samodzielne
przeprowadzenie procesu podgrzewania zawartości zbiornika parą wodną
doprowadzaną metodą bełkotkowania;
2. sporządzenie bilansu cielnego układu i określenie udziału poszczególnych
składowych bilansu w ogólnym obciążeniu cieplnym.
Produkt
rozcieńczony
Opary
G + G
m n
t
2
W, i
w
abc
x
2
Produkt
Produkt
2
G ,t , x
Para
m 1 1 G ,t , x
m 1 1
4
G, i
n n
Para
1
3
G, i
n n
G
m
t
1
x
1
Gm+ Gn Gm - W
t2 t2
Produkt
x2 x2
Produkt
Produkt
zatężony
rozcieńczony
Rys. 1. Przykłady bezprzeponowej wymiany ciepła w przetwórstwie spożywczym -
iniektor parowy (a), komora infuzyjna (b), oziębiacz próżniowy (c)
Stanowisko doświadczalne
Główne zespoły stanowiska doświadczalnego (rys. 2.) stanowią: elektryczna
wytwornica pary (1) przezroczysty zbiornik (2), wyposażony w bełkotkę (3) i miarkę
milimetrową (4) służącą do określenia wysokości słupa cieczy w zbiorniku. Do kontroli
temperatury cieczy w zbiorniku służy termometr elektroniczny (5). Pomiędzy
wytwornicą pary a bełkotką umieszczono zespół łapacza kropel (6), zaopatrzony
w termometr (7) służący do pomiaru temperatury pary tn. Rolą łapacza kropel jest
oddzielenie wody z pary mokrej i zapewnienie zasilania bełkotki parą nasyconą. Ponadto
w układzie zainstalowano manometr PI do kontroli ciśnienia pary w układzie i skraplacz
© L. Z. Zander 2/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
nadmiaru pary (4). Para odprowadzana do skraplacza nie jest uwzględniania w bilansie
cieplnym zbiornika (2). Ewentualna regulację odpływu pary do skraplacza umożliwia
zacisk (9) umieszczony na przewodzie elastycznym Å‚Ä…czÄ…cym wytwornice pary ze
skraplaczem..
Woda
4
Skropliny
9
7
tn
8
5
tc
2
1
6
3
Rys. 2. Schemat stanowiska doświadczalnego: 1  wytwornica pary, 2  zbiornik
procesowy, 3  bełkotka, 4  skraplacz, 5  termometr, 6  łapacz kropel (odwadniacz),
7  termometr, 8  złącze elastyczne, 9  zacisk
Obsługa wytwornicy sprowadza się do włączania i wyłączania zasilania grzałki
elektrycznej oraz nadzorowania ilości wody wewnątrz wytwornicy. Zbyt niski poziom
wody jest sygnalizowany zapaleniem siÄ™ czerwonej lampki i powoduje samoczynne
wyłączenie się wytwornicy.
© L. Z. Zander 3/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Środki ostrożności
1. Zbiornik wytwornicy pary wolno napełniać tylko wodą destylowaną lub
demineralizowanÄ…;
3. Nie wolno opróżniać zbiornika z badanym roztworem przez przechylanie
i wylewanie cieczy do zlewu. Do opróżniania zbiornika służy zestaw próżniowy,
przedstawiony na rys. 3. (dotyczy wersji stanowiska z wysokim zbiornikiem)
woda
2
z
sieci
1
4
tc
odpływ
3
do
ścieków
Rys. 3. Zestaw próżniowy do opróżniania zbiornika procesowego: 1  zbiornik
procesowy; 2  sonda (przewód elastyczny); 3  zbiornik magazynowy roztworu; 4 
pompka wodna (wykorzystywany w wersji stanowiska z wysokim grzejnikiem)
Opis doświadczenia
Para wodna otrzymywana z wytwornicy (1) jest za pomocą bełkotki (3) doprowadzona
do kontaktu z cieczą znajdującą się w zbiorniku (2). Temperatura cieczy jest niższa od
temperatury skraplania pary tn, zatem następuje skroplenie pary. Powstałe skropliny
mieszają się z cieczą w zbiorniku, skutkiem czego z upływem czasu wzrasta ilość cieczy
© L. Z. Zander 4/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
w zbiorniku i podnosi siÄ™ jej temperatura, wskazywana przez termometr (5). Skutkiem
mieszania się skroplin z roztworem stężenie roztworu ulega zmniejszeniu.
Wykonanie doświadczenia
1. Wlać do wytwornicy zadaną ilość wody (np. 500 cm3);
2. Wytarować zbiornik;
3. Wlać do zbiornika zadaną ilość roztworu cukru (G0); pobrać próbkę roztworu
i refraktometrycznie oznaczyć jego stężenie (x0);
4. Zmierzyć temperaturę początkową roztworu w zbiorniku (t0);
5. Podłączyć elastyczny odcinek przewodu parowego do króćca bełkotki;
6. Włączyć zasilanie grzałki wytwornicy (1);
7. Następnie należy obserwować dopływ pary do odwadniacza (6) i wskazania
termometru (7);
8. Gdy temperatura pary w odwadniaczu (6) zbliży siÄ™ do 100 °C należy rozpocząć
eksperyment odnotowując godzinę startu. Od tego momentu należy co 2 minuty
dokonywać odczytów temperatury cieczy tc w zbiorniku. Jednocześnie trzeba
obserwować zachowanie się pęcherzyków pary wypływających przez otwory bełkotki
i ewentualnie zanotować spostrzeżenia.
9. Doświadczenie prowadzi się do momentu samoczynnego wyłączenia wytwornicy.
W każdym przypadku, gdy temperatura cieczy w zbiorniku osiÄ…gnie 90°C należy
zakończyć eksperyment.
10. Wyłączyć zasilanie wytwornicy;
11. Odłączyć zbiornik procesowy od przewodu parowego;
12. Zważyć zbiornik z zawartością, obliczyć końcową masę cieczy w zbiorniku (Gk);
14. Pobrać próbkę roztworu po procesie i refraktometrycznie oznaczyć stężenie cukru
w roztworze (xk).
© L. Z. Zander 5/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Opracowanie wyników doświadczenia
W oparciu o zebrane dane i ogólny schemat badanego układu (rys. 3) sporządzić bilans
ciepła w przeprowadzonym procesie.
Para
Gn·in
GK·cK·tK
G·cS·t0
G·cS·t0
S
S
Roztwór
Roztwór
podgrzany
surowy
Qstr
Rys. 4. Schemat do sporządzenia bilansu ciepła
- Ciepło wprowadzone do układu wraz z roztworem surowym:
qwe1 = GS Å" cS Å" tS (1)
- ciepło wprowadzone do układu wraz z parą
qwe2 = Gn Å"in [kJ] (2)
- ciepło wyprowadzone z układu po procesie
qwy = GK Å" cK Å" tK [kJ] (3)
- ciepło strat
qstr [kJ] (4)
Ogólny bilans ciepła w układzie wyraża równanie:
© L. Z. Zander 6/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
(5)
GS Å" cS Å" tS + Gn Å"in = GK Å" cK Å" tK + qstr [kJ]
Ciepło zawarte w podgrzanym, rozcieńczonym roztworze końcowym (qwy) można
traktować jako sumę ciepła zawartego w roztworze surowym podgrzanym do
temperatury tk
qwy1 = GS Å" cS Å" tK [kJ] (6)
i ciepła zawartego w wodzie powstałej ze skroplenia pary w ilości Gn i doprowadzonej do
temperatury tk
qwy2 = Gn Å" cw Å"tK [kJ] (7)
OtrzymujÄ…c:
GK Å" cK Å" tK = GS Å" cS Å" tK + Gn Å" cw Å" tK [kJ] (8)
Podstawiając prawą stronę równania (8) do równania (5) i uporządkowaniu otrzymuje
siÄ™:
Gn Å"(in - cwtK ) = GS Å" cS Å"(tK - tS )+ qstr [kJ] (9)
Lewa strona równania (9) wyraża obciążenie cieplne układu, czyli ilość ciepła oddanego
przez skraplającą się parę i skropliny powstałe w wyniku tego procesu (qn), przy czym
należy tu wyróżnić ciepÅ‚o oddane w wyniku przemiany fazowej (Gn·r), zachodzÄ…cej
w staÅ‚ej temperaturze tn i ciepÅ‚o oddane przez przechÅ‚odzone skropliny [Gn·cw·(tn-tK)].
Prawa strona równania (9) przedstawia ilość ciepła pobranego przez podgrzany roztwór
surowy i uwzględnia straty ciepła do otoczenia (qstr).
Należy wykonać obliczenia wszystkich składowych bilansu ciepła dla każdego
wariantu doświadczenia oddzielnie. Wielkość strat ciepła należy podać jako ilość ciepła
strat qstr w [kJ] i procentowo w stosunku do ogólnego obciążenia cieplnego qn.
© L. Z. Zander 7/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Na podstawie całkowitego obciążenia cieplnego qn i czasu trwania doświadczenia
Ä (w sekundach) należy obliczyć strumieÅ„ ciepÅ‚a pÅ‚ynÄ…cego wraz z parÄ…
q (10)
Q = [W]
Ä
Informacja o wielkości strumienia ciepła Qn powinna się znalez
ć w zestawieniu wyników
z przeprowadzonego ćwiczenia.
Ciepło właściwe wody w średniej temperaturze i entalpię pary w temperaturze
skraplania odczytuje się z tablic. Ciepło właściwe roztworu oblicza się na podstawie
znajomości koncentracji substancji rozpuszczonej, korzystając z zasady addytywności
C = xA Å" cA + xB Å" cB + ... + xn Å" cn (11)
xA + xB + ... + xn = 1 (12)
xi = 1 (13)
"
Materiały pomocnicze (tablice własności fizycznych wody, pary i składników żywności)
stanowią załącznik do niniejszego przewodnika.
Wyniki obliczeń należy zestawić w formie tabeli sporządzonej wg własnego uznania
i sformułować wnioski ze szczególnym zwróceniem uwagi na proporcje między ilością
ciepła oddawanego w procesie skraplania a pozostałymi elementami bilansu i zmiany
stężenia roztworu. Do sprawozdania należy załączyć wykres zmian temperatury cieczy
w zbiorniku podczas doświadczenia i schemat bilansu ciepła (jak na rys. 4.)
z naniesionymi wartościami liczbowymi poszczególnych wielkości.
Oznaczenia
c - ciepÅ‚o wÅ‚aÅ›ciwe, kJ/(kg·K) Indeksy:
c
G - masa, kg dotyczy cieczy w zbiorniku
K
i - entalpia, kJ/kg dotyczy stanu końcowego
n
q - ciepło, kJ dotyczy pary nasycowej
S
Q - strumień ciepła [W] dotyczy stanu początkowego (surowca)
str
t - temperatura, °C dotyczy strat
w
x - stężenie, ułamek mas. dotyczy wody
we
wejście
wy
wyjście
© L. Z. Zander 8/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Tabela 1. Wzór protokołu nr 1
ImiÄ™ i nazwisko: & & & & & & & & & & & & & .
Grupa: & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
Protokół nr 1 z dnia & & & & ..
Ćwiczenie C09 - Bezprzeponowa wymiana ciepła
Doświadczenie nr & & & & &
Dane podstawowe:
- masa pustego zbiornika G1 kg
- masa zbiornika z cieczÄ… G2 kg
- masa cieczy w zbiorniku GS kg
- masa cieczy podgrzanej GK kg
- ilość skroplonej pary Gn
- stężenie początkowe roztworu x'S %
xS uł. mas.
- stężenie końcowe roztworu x'S %
xS uł. mas.
- ciepło właściwe cS
- temperatura poczÄ…tkowa tS °C
- załączenie dopływu pary godz.
- czas trwania doÅ›wiadczenia Ä s
Olsztyn, dnia & & & & & & & & .. ProwadzÄ…cy: & & & & & & & & & & & & & .
© L. Z. Zander 9/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Tabela 2. Wzór protokołu nr 2
ImiÄ™ i nazwisko: & & & & & & & & & & & & & .
Grupa: & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
Protokół nr 2 z dnia & & & & ..
Ćwiczenie C09 - Bezprzeponowa wymiana ciepła
Doświadczenie nr & & & & &
Zmiany temperatur w procesie:
Czas tn tK
Godz.
[min] °C °C
0
Åšrednia
Olsztyn, dnia & & & & & & & & .. ProwadzÄ…cy: & & & & & & & & & & & & & .
© L. Z. Zander 10/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Tabela 3. Wybrane fizyczne właściwości wody
Współczynnik
Tempera- Gęstość Ciepło przewodze- dyfuzyjnoś- dynamiczny kinematyczny Liczba
właściwe nia ciepła ci cieplnej lepkości lepkości Prandtla
tura Á
c Pr
 Ä…Å"107 ·Å"103 vÅ"106
t
kg/m3 J/(kg K) m2/s Pa,s -
°C W/(mš)
m2/s
0 999,8 4240 0,550 1,31 1,790 1,790 13,7
5 999,7 4228 0,561 1,33 1,530 1,540 11,3
10 999,6 4215 0,573 1,36 1,304 1,300 9,56
15 998,9 4211 0,585 1,39 1,128 1,100 8,15
20 998,2 4207 0,597 1,42 1,001 1,000 7,06
25 996,9 4207 0,607 1,44 0,898 0,910 6,20
30 995,6 4203 0,616 1,47 0,801 0,805 5,50
35 993,9 4203 0,624 1,50 0,716 0,720 4,85
40 992,2 4203 0,632 1,53 0,653 0,659 4,30
45 990,1 4203 0,639 1,54 0,603 0,615 3,90
50 988,0 4203 0,646 1,56 0,549 0,556 3,56
55 985,6 4203 0,652 1,58 0,505 0,515 3,25
60 983,2 4207 0,658 1,61 0,471 0,479 3,00
65 980,5 4211 0,662 1,61 0,437 0,445 2,75
70 977,7 4215 0,666 1,61 0,406 0,415 2,56
75 974,8 4215 0,669 1,61 0,378 0,385 2,35
80 971,8 4219 0,673 1,64 0,356 0,366 2,23
85 968,5 4224 0,676 1,64 0,338 0,347 2,10
90 965,3 4228 0,679 1,67 0,315 0,326 1,95
95 961,8 4228 0,680 1,67 0,304 0,310 1,85
100 958,3 4232 0,681 1,69 0,283 0,295 1,75
© L. Z. Zander 11/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Tabela 4. Tablice parowe
NadciÅ›-
Entalpia wody Entalpia pary nas.
Ciśnienie Temperatura Ciepło parowania Objętość właściwa
nienie wrzÄ…cej suchej
absolutne [bar] nasycenia t [°C] r [kJ/kg] pary nas. [m3/kg]
[bar] i' [kJ/kg] i" [kJ/kg]
0,50 81,33 340,49 2305,4 2645,9 3,240
0,55 83,72 350,54 2299,3 2649,8 2,964
0,60 85,94 359,86 2293,6 2653,5 2,732
0,65 88,01 368,54 2288,3 2656,9 2,535
0,70 89,95 376,70 2283,3 2660,0 2,365
0,75 91,78 384,39 2278,6 2663,0 2,217
0,80 93,50 391,66 2274,1 2665,8 2,087
0,85 95,14 398,57 2269,8 2668,4 1,972
0,90 96,71 405,15 2265,7 2670,9 1,869
0,95 98,20 411,43 2261,8 2673,2 1,777
1,00 99,63 417,46 2258,0 2675,5 1,694
0 1,013 100,00 419,04 2257,0 2676,0 1,673
0,05 1,063 101,40 424,9 2253,3 2678,2 1,601
0,10 1,113 102,66 430,2 2250,2 2680,4 1,533
0,15 1,163 103,87 435,6 2246,7 2682,3 1,471
0,20 1,213 105,10 440,8 2243,4 2684,2 1,414
0,25 1,263 106,26 445,7 2240,3 2686,0 1,361
0,30 1,313 107,39 450,4 2237,2 2687,6 1,312
0,35 1,363 108,50 455,2 2234,1 2689,3 1,268
0,40 1,413 109,55 459,7 2231,3 2691,0 1,225
0,45 1,463 110,58 464,1 2228,4 2692,5 1,186
0,50 1,513 111,61 468,3 2225,6 2693,9 1,149
0,55 1,563 112,60 472,4 2223,1 2695,5 1,115
0,60 1,613 113,56 476,4 2220,4 2696,8 1,083
0,65 1,663 114,51 480,2 2217,9 2698,1 1,051
0,70 1,713 115,40 484,1 2215,4 2699,5 1,024
0,75 1,763 116,28 487,9 2213,0 2700,9 0,997
0,80 1,813 117,14 491,6 2210,5 2702,1 0,971
0,85 1,863 117,96 495,1 2208,3 2703,4 0,946
0,90 1,913 118,80 498,9 2205,6 2704,5 0,923
0,95 1,963 119,63 502,2 2203,5 2705,7 0,901
1,00 2,013 120,42 505,6 2201,1 2706,7 0,881
1,05 2,063 121,21 508,9 2199,1 2708,0 0,860
1,10 2,113 121,96 512,2 2197,0 2709,2 0,841
1,15 2,163 122,73 515,4 2195,0 2710,4 0,823
1,20 2,213 123,46 518,7 2192,8 2711,5 0,806
1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa wg materiałów Spirax Sarco
© L. Z. Zander 12/13
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
C09
Tabela 5. Ciepło właściwe głównych składników żywności
1420
J/(kgÅ"oC)
Białko 1550
J/(kgÅ"oC)
TÅ‚uszcz 1670
J/(kgÅ"oC)
Popiół 840
J/(kgÅ"oC)
Woda 4190
J/(kgÅ"oC)
n
c = xici
"
i = 1
© L. Z. Zander 13/13