UNIWERSYTET PRZYRODNICZY w Lublinie

Wydział Nauk o Żywności i Biotechnologii

technologia żywności i żywienie człowieka

„APARATURA PRZEMYSŁU SPOŻYWCZEGO”

Praca projektowa

Wymienniki ciepła

Studia stacjonarne Studia niestacjonarne	Imię i nazwisko wykonawcy
	1. Ewelina Nieścior 2. Ewelina Stasik 3. Katarzyna Smyk
Numer kolejny ćwiczenia:	Data realizacji ćwiczenia:
10	07.05.2012
Data i ocena pracy:

A WSTĘP

1.Definicja i klasyfikacja wymienników ciepła

Wymienniki ciepła to urządzenia służące do przenoszenia ciepła od jednych ciał do drugich.. Podsawowe to : przeponowe, bezprzeponowe i regeneratory. [Blasiński 2001].

W wymienniku ciepła mogą zachodzić różne procesy cieplne takie jak: zmiana temperatury konieczna do blanszowania, rozparzania, pasteryzacji, a także odparowanie związane z zagęszczeniem oraz kondensacją w skraplaczach oparów, co ułatwia obniżenie ciśnienia w wyparkach. W zależności od przeznaczenia stosowane są nośniki ciepła gazowe lub ciekłe. Do gazowych nośników należy nasycona para wodna, gorące powietrze, gazy spalinowe. Ciekłymi nośnikami są gorąca woda lub skropliny pary wodnej.[Wykład]

Wymienniki mogą mieć różną konstrukcję, lecz zwykle składają się z płyt lub długiej rury wykonanej z tworzywa będącego dobrym przewodnikiem ciepła. W celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła, wymiennik może być wyposażony w ożebrowanie. [http://pl.wikipedia.org/wiki/Wymiennik_ciep%C5%82a]

Podział wymienników

• ze względu na budowę: "rura w rurze", płaszczowo-rurowe, "rura Fielda", rurka cieplna, płytowe, spiralne, lamelowe, pojemnościowe, inne;

• ze względu na rodzaj czynnika: ciecz-ciecz, ciecz-gaz, ciecz-ciało stałe, gaz-gaz i inne;

• ze względu na organizację przepływu: współprądowe, przeciwprądowe, krzyżowe;

• ze względu na przekazywanie ciepła: wymienniki przeponowe, bezprzeponowe, regeneratory

• ze względu na obecność mieszania: z mieszaniem, bez mieszania, z mieszaniem niektórych czynników;

• ze względu na charakter działania: praca ciągła, praca okresowa.

• ze względu na przeznaczenie technologiczne: podgrzewacze, skraplacze, chłodnice itp.

[http://pl.wikipedia.org/wiki/Wymiennik_ciep%C5%82a]

Przeponowa wymiana ciepła – czynniki oddzielone są od siebie przegrodą tworzącą powierzchnie wymiany ciepła. Para skrapla się na powierzchni grzejnej i skropliny nie mieszają się z czynnikiem ogrzewanym. Dzielimy na wymienniki o ściankach ogrzewanych, płaszczowo-rurkowe, wężownicowe, płytowe lub spiralne.[Wyklad]

Bezprzeponowa wymiana ciepła-nośnikiem ciepła jest para wodna doprowadzona przez rurę z otworkami, tzw. Bełkotkę. Skropliny pary wodnej mieszają się z substancją ogrzewana, następuje kontakt bezpośredni.[Wyklad]

2.Budowa i zasada działania wymienników: przeponowego i bezprzeponowego

Rysunek 1 Wymiennik płaszczowo-rurowy(przeponowy)

1-płaszcz, 2-wiązka rurek,3-płyta sitowa,4-króciec

[http://www.scribd.com/doc/27382524/63/WYMIENNIKI-P%C5%81ASZCZUWO-RUROWE]

Najbardziej popularnymi wymiennikami ciepła są wymienniki płaszczowo-rurowe. Zbudowane są z wiązki rurek, która jest umocowana w dwóch płytach sitowych. Całość znajduje się w płaszczu, który jest zakończony dennicami. Czynniki biorące udział w wymianie ciepła są doprowadzane i odprowadzane króćcami . W przestrzeni międzyrurowej znajduje się jeden z czynników, drugi płynie rurkami. W celu zwiększenia prędkości przepływu czynnika znajdującego się w rurkach należy zmniejszyć pole przekroju wiązki rurek. W przypadku, gdy w przestrzeni międzyrurowej płynie ciecz, to w celu zwiększenia jej prędkości, ustawia się także przegrody w przestrzeni międzyrurowej. [Błasiński 2001]

Budowa bezprzeponowego wymiennika ciepła:

1-zbiornik, 2-pokrywa,3-dysze, 4-rurowe przewody,5-króćce,6-zawór, 7-przewód,8-czerpny króciec,9-płynowskaz,10-przewód doprowadzający parę wodną, 11-konfuzor, 12-wsporcza konstrukcja. [http://pubserv.uprp.pl/publicationserver/Temp/qbb15j9421hm5b3pjf8epnhd26/]

W bezprzeponowych wymiennikach ciepła wymiana ciepła między płytami zachodzi przez ich bezpośrednie zetknięcie .Para grzejna jest doprowadzana przez otwory w rurze zanurzonej w cieczy. Para stykając się z cieczą kondensuje oddając cieczy swoje ciepło. Przewód doprowadzający parę jest obudowany dyszą w celu eliminacji intensywnych szumów i halasów, towarzyszących zwykle wypływowi pary. Doprowadzenie pary może odbywać się przez urządzenie barbotażowe. Do tej grupy należą skraplacze.[Błasiński 2001]

B PROBLEM I JEGO ANALIZA

Badanie wpływu izolacji cieplnej na straty ciepła.

Zadanie 1

W aparacie ogrzewana jest ciecz o temp. 90°C, plaska ścianka aparatu wykonana jest ze stali o grubości 2mm, temp. Otoczenia wynosi 20°C. Współczynnik wnikania ciepła od gorącej cieczy do stali i od izolacji do otoczenia wynoszą odpowiednio : α1=2100 [W/m²* K ]

α2=8 [W/m²* K]. Współczynnik przewodzenia stali wynosi 50 [W/m*K].

Oblicz: -współczynnik przenikania ciepła

-straty ciepła do otoczenia

-jak zmienią się straty ciepła jeżeli zbiornik zostanie otoczony od zewnątrz warstwą izolacji o grubości 2,5 cm i współczynniku przewodzenia ciepła 0,034[W/m*K]

-straty ciepła przy zastosowaniu warstwy izolacji o grubości 5 cm

-starty ciepla przy zastosowaniu warstwy izolacji o grubości 7,5 cm

-sporządzić wykres zależności wielkości strat ciepła od grubości warstwy izolacji

Zadanie 2

Stalowym rurociągiem o grubości 3mm i średnicy wewnętrznej 70mm płynie mleko o średniej temperaturze 100°C. Na rurociąg nałożono izolacje o grubości 20mm i współczynniki przewodzenia ciepła 0,081 [W/m*K].

Oblicz:- współczynnik przenikania ciepła jeżeli współczynniki wnikania ciepła po zew. i wew. części rury wynoszą odpowiednio 12 i 2150 [W/m²* K ] , współczynnik przewodzenia ciepła dla stali wynosi 50 [W/m*K].

C DANE DO OBLICZEŃ

Nazwa wielkości	Symbol	Wartość liczbowa	Jednostka miary
Strumień przepływającego ciepła	Q	-	W
Współczynnik przenikania ciepła przez przegrodę	k	-	W/m^2*K
Powierzchnia wymiany ciepła	F	2	m^2
Różnica temperatur między czynnikami	∆T	70	K,^oC
Współczynnik wnikania ciepła	a1,a2	2100,8,12,2150	W/m^2*K
Grubość ściany, warstwy izolacji	S	0,002;0,05;0,075;0,003;0,02;0,025	m
Współczynnik przewodzenia ciepła	l1,l2	50;0,034;0,081	W/m*K
Średnica rury wewnętrznej	dw	0,07	m
Średnica rury	d2,d3	0,076;0,082	m
Temperatura cieczy	T	90	^oC
Temperatura otoczenia	T	20	^oC
Średnia temperatura mleka	T	100	^oC

D ROZWIĄZANIE PROBLEMU

Zadanie 1.

Rysunek pomocniczy

Etap1. Obliczenie współczynnika przenikania ciepła.

Wzory podstawowe	Przekształcenia, podstawienie i obliczenie	Wynik
k$= \frac{1}{\frac{1}{\alpha_{1}} + \sum_{}^{}{\frac{s_{\text{st}}}{\lambda_{\text{st}}} + \frac{1}{\alpha_{\text{st}}}}}$	$k = \frac{1}{\frac{1}{2100W/m^{2} \times K} + \frac{0,002m}{50\frac{W}{m*K}} + \frac{1}{8W/m^{2} \times K}}$=$\frac{1}{0,1255}$=7,968 W/m^2*K	k=7,968 W/m^2*K

Etap 2. Obliczenie straty ciepła do otoczenia

Wzory podstawowe	Przekształcenia, podstawienie i obliczenie	Wynik
Q=k*F*T	Q=7,987 W/m^2*K *2m^2 *70 K=1115,38 W $\frac{W}{m^{2}*K}$ * m^2 *K=W	Q=1115,38 W

Etap 3. Obliczenie jak zmieniają się straty ciepła jeżeli zbiornik zostanie otoczony od zewnątrz warstwą izolacji.

Wzory podstawowe	Przekształcenia, podstawienie i obliczenie	Wynik
k$= \frac{1}{\frac{1}{\alpha_{1}} + \sum_{}^{}{\frac{s_{\text{st}}}{\lambda_{\text{st}}} + \frac{s_{\text{iz}}}{\lambda_{\text{iz}}} + \frac{1}{\alpha_{\text{st}}}}}$ Q=k*F*T	$k = \frac{1}{\frac{1}{2100W/m^{2} \times K} + \frac{0,002m}{50\frac{W}{m*K}} + \frac{0,025m}{0,034\frac{W}{m*K}} + \frac{1}{8W/m^{2} \times K}}$=$\frac{1}{0,8608}$=1,1617 W/m^2*K Q=1,1615 W/m^2*K* 2m^2* 70 K= 167,638W	k=1,1617 W/m^2*K Q=167,638W

Etap 4. Obliczenie strat ciepła przy zastosowaniu warstwy izolacji o grubości 5cm.

Wzory podstawowe	Przekształcenia, podstawienie i obliczenie	Wynik
k$= \frac{1}{\frac{1}{\alpha_{1}} + \sum_{}^{}{\frac{s_{\text{st}}}{\lambda_{\text{st}}} + \frac{s_{\text{iz}}}{\lambda_{\text{iz}}} + \frac{1}{\alpha_{\text{st}}}}}$ Q=k*F*T	$k = \frac{1}{\frac{1}{2100W/m^{2} \times K} + \frac{0,002m}{50\frac{W}{m*K}} + \frac{0,05m}{0,034\frac{W}{m*K}} + \frac{1}{8W/m^{2} \times K}}$=$\frac{1}{01,5961}$=0,6265W/m^2*K Q=0,6265 W/m^2*K* 2m^2* 70 K= 87,7138W	k=0,6265 W/m^2*K Q=87,7138W

Etap 5. Obliczenie strat ciepła przy zastosowaniu warstwy izolacji o grubości 7,5 cm.

Wzory podstawowe	Przekształcenia, podstawienie i obliczenie	Wynik
k$= \frac{1}{\frac{1}{\alpha_{1}} + \sum_{}^{}{\frac{s_{\text{st}}}{\lambda_{\text{st}}} + \frac{s_{\text{iz}}}{\lambda_{\text{iz}}} + \frac{1}{\alpha_{\text{st}}}}}$ Q=k*F*T	$k = \frac{1}{\frac{1}{2100W/m^{2} \times K} + \frac{0,002m}{50\frac{W}{m*K}} + \frac{0,075m}{0,034\frac{W}{m*K}} + \frac{1}{8W/m^{2} \times K}}$=$\frac{1}{2,33}$=0,42918W/m^2*K Q=0,42918 W/m^2*K* 2m^2* 70 K= 60,08W	k=0,42918 W/m^2*K Q=60,08W

Wykres 1 Wykres zależności wielkości strat ciepła od grubości warstwy izolacji.

Zadanie 2.

Rysunek pomocniczy

Wzory podstawowe	Przekształcenia, podstawienie i obliczenie	Wynik
k$= \frac{1}{\frac{1}{\alpha_{1} + 2d_{1}} + \frac{1}{2\lambda_{\text{st}}} \times ln\frac{d_{2}}{d_{1}} + \frac{1}{2\lambda_{\text{iz}}} \times ln\frac{d_{3}}{d_{2}} + \frac{1}{\alpha_{2} \times 2d_{3}}}$ d2=d1+2st d3=d2+2 Siz	d2=0,07m+ 2* 0,003m= 0,076m d3=0,076m + 2* 0,02m= 0,116m k=$\frac{1}{\frac{1}{12\frac{W}{m^{2}*K} + 2*0,076m} + \frac{1}{2*50\frac{W}{m*K}} \times ln\frac{0,076m}{0,07m} + \frac{1}{2*0,0081\frac{W}{m*K}} \times ln\frac{0,116m}{0,076m} + \frac{1}{2150\frac{W}{m^{2}*K} \times 2*0,116m}} =$ =$\frac{1}{\frac{1}{12,152} + \frac{1}{100}*0,0822 + \frac{1}{0,0162}*0,4228 + \frac{1}{499}}$=$\frac{1}{0,0822 + 0,000822 + 26,098 + 0,002} =$0,03819 W/m^2*K	k=0,03819 W/m^2*K

E PODSUMOWANIE

Izolacja cieplna zmniejsza straty ciepła. Z analizy zadania pierwszego wynika że im grubsza warstwa izolacji tym straty ciepła są coraz mniejsze. Zastosowanie 7,5cm warstwy izolacji na płaskiej ściance aparatu zmniejszyło prawie dwudziestokrotnie straty ciepła.

Po analizie zadania drugiego wynika że współczynnik przenikania ciepła dla stalowego rurociągu wynosi 0,03819 W/m²*K.

F.SPIS LITERATURY

1. Błasiński H., Pyć W., Rzyski E., Maszyny i aparatura technologiczna przemysłu spożywczego. Wyd. PŁ: Łódź, 2001. ISBN 83-7283-041-X

2. [http://pl.wikipedia.org/wiki/Wymiennik_ciep%C5%82a]

3. [http://www.scribd.com/doc/27382524/63/WYMIENNIKI-P%C5%81ASZCZUWO-RUROWE]

4. [http://pubserv.uprp.pl/publicationserver/Temp/qbb15j9421hm5b3pjf8epnhd26/]