БТЕ

Потери тепла за счет естественного воздухообмена (QA) определяются по уравнению:

Например:

A = 14 футов
B = 21 фут
C = 360 футов
D = 25 футов
H = 5 футов
N = 5 домов (бухт)

Площадь боковой стенки = 2 (A x C)
= 2 (14 x 360)
= 2 (5040)
= 10080 футов ²

Чтобы преобразовать в м2, умножьте на 0.0929
= 10080 x 0,0929
= 936,43 м ²

Площадь торцевой стены = 2 [1/2 (H x B) + (A xB)] x N
= 2 [1/2 (5 x 21) + (14 x 21)] x 5
= 10 [52,5 + 294]
= 3465 футов ²
= 321,9 м ²

Площадь крыши = (D x C) x N
= (25 x 360) x 5
= 45000 футов ²
= 4180.5 м ²

Следовательно, общая площадь поверхности теплицы (A) составляет:
= 936,43 + 321,9 + 4180,5
A = 5439 м ²

Теплица = [1/2 (B x H x C) + (A x B x C)] x N
Объем (G) = [1/2 (21 x 5 x 360) + (14 x 21 x 360 )] x 5
= [1/2 (37 800) + (105 840)] x 5
= [(18 900) + (105 840)] x 5
= (124 740) x 5
= 623 700 футов ³

Умножить на 0.0283, чтобы получить м ³

623,700 футов ³ x 0,0283 м ³ / фут ³ = 17,651 м ³

Таким образом, общий объем теплицы (G) составляет 17651 м ³

Потери тепла за счет теплопроводности можно рассчитать следующим образом:

Qc = U x A x ∆T

Где U = 5.00 Вт / м ² / ⁰ C
A = 5439 м ²
∆T = 50 ⁰ C

Примечание: внутренняя температура 20 ⁰ C и наружная температура -30 ⁰ C
Qc = 5,00 x 5439 x 50
= 1,359,750 Вт

Затем это можно преобразовать в БТЕ / час, умножив на 3,413
= 1,359,750 Вт x 3,413 БТЕ / час / Вт
Qc = 4,640 827 БТЕ / час

Потери тепла через естественный воздухообмен можно рассчитать следующим образом:

Q _A = 0.373 x ∆T x G x NAE
Q _A = 0,373 x 50 x 17 651 x 0,25
= 82298 Вт
Преобразуйте в БТЕ / час, умножив на 3,413
= 82298 Вт x 3,413 БТЕ / час / Вт
Q _A = 280 883 БТЕ / час

Окончательный расчет для общих тепловых потерь (QT)

Q _T = Qc + Q _A
= 4,640,827 + 280,883
Q _T = 4,921,710 БТЕ / час

Следовательно, система отопления должна обеспечивать 4 921 710 БТЕ / час тепла, чтобы компенсировать потенциальные потери тепла при -30 градусах Цельсия.(Источник: Университет Гвельфа — Управление теплицей)

Потери тепла только за счет теплопроводности составляют:

Площадь торцевой стенки: = Д x В
= 105 x 14
= 1470 футов ^{2
= 136,6 м 2}

Для вашей информации и для сравнения Американское общество инженеров сельского хозяйства (ASAE) — публикация EP406 — перечисляет расчеты тепла определение убытков следующим образом:

Таблица 1: Обратите внимание на следующую таблицу и на резкое увеличение БТЕ / час, необходимое при падении наружной температуры ниже -30 ° C.

Площадь поверхности м ²

Коэффициент тепловых потерь Вт / м ² ° C

Наружная температура ° C

Изменение температуры ° C *

Потери тепла за счет естественного воздухообмена **

Кондуктивные потери тепла

Всего британских тепловых единиц в час, необходимых для компенсации потерь тепла

5455

5.00

20

0

0

0

0

5455

5,00

15

5

29 506

465,448

494,954

5455

5.00

10

10

59 012

930,896

989 908

5455

5,00

5

15

88 518

1,396,344

1,484,862

5455

5.00

0

20

118 024

1,861,792

1,979,816

5455

5,00

-5

25

147,530

2,327,239

2,474,769

5455

5.00

-10

30

177 036

2,792,687

2,969,723

5455

5,00

-15

35

206 542

3 258 135

3,464,678

5455

5.00

-20

40

236 049

3,723,583

3,959,632

5455

5,00

-25

45

265,555

4 189 031

4,454,586

5455

5.00

-30

50

295 061

4 654 479

4,949,540

5455

5,00

-35

55

324,567

5,119,927

5,444,494

5455

5.00

-40

60

354 073

5,585,375

5,939,448

5455

5,00

-45

65

383 579

6 050 822

6,434,401

5455

5.00

-50

70

413,085

6,516,270

6,929,355

• * Примечание: внутренняя температура 20 ° C ** Примечание: 0,25 воздухообмена в час. :
  Приведенные выше расчеты основаны на отдельно стоящей конструкции теплицы, все стороны которой подвергаются воздействию элементов.В расчетах не учитываются потери тепла через трещины или отверстия в конструкции, потери тепла через основание конструкции или через недостаточно герметичные или изолированные вентиляционные каналы и вентиляторы. В расчетах также не учитывается экономия тепла твердой конструкцией, такой как рубка / мастерская, прикрепленная к одной стороне или торцевой стене, или защита от ветра внешним барьером, таким как забор или защитный пояс. Поскольку потери тепла из-за излучения трудно оценить, они учитываются при расчетах теплопотерь.

  Расчеты коэффициента теплопередачи также предусматривают скорость ветра 24 км / час (15 миль / час). В качестве дополнительной меры предосторожности часто бывает полезно добавить 10% к общей величине потерь тепла, чтобы компенсировать неожиданные потери тепла или экстремальные колебания температуры.

  Три метода передачи тепла в теплице: конвекция, теплопроводность и излучение.

  1. Конвекция определяется как передача тепла от объекта за счет движения воздуха, окружающего объект.Объект окружен слоем воздуха, и тепло передается от объекта за счет движения теплого воздуха в более прохладное место, а именно в окружающий объем воздуха.

  Конвекцию в теплице можно описать следующими механизмами.

  1. Инфильтрация — это движение воздуха через отверстия в конструкции теплицы, такие как трещины, отверстия, промежутки между материалами остекления, вокруг дверей, вентиляционные отверстия, между фундаментом и навесной стеной и другие непроектированные отверстия во внешнюю среду.Это движение воздуха может быть значительным в стеклянной конструкции с многочисленными промежутками между перемычками стекла, которые позволяют воздуху проходить через них относительно беспрепятственно.

  2. Вентиляция — это движение воздуха в теплице через предусмотренные отверстия в конструкции. Это движение воздуха контролируется различными механизмами, которые ограничивают количество вентилируемого воздуха. Вентиляция в теплице может осуществляться за счет естественного движения воздуха или принудительной вентиляции с помощью вентиляторов. Вентиляция может служить нескольким целям: от снижения температуры в теплице до вывода из теплицы воздуха с высокой влажностью для снижения заболеваемости.

  Конвективные потери тепла в теплице можно свести к минимуму, создав барьеры для движения воздуха, такие как герметизация всех отверстий или трещин в конструкции и поддержание оборудования в хорошем состоянии.

  2. Проводимость — это передача тепла от одного объекта к другому посредством прямого физического контакта. В теплице проводимость происходит через все поверхности, контактирующие с окружающей средой. Количество теплопроводных потерь напрямую связано с характеристиками теплопроводности материала.Материал, который легко проводит тепло, считается хорошим проводником, таким как металл, тогда как плохой проводником тепла считается и изолятором, как пенополистирол. Поскольку металл считается хорошим проводником тепла, его воздействие на внешнюю среду должно быть ограничено, чтобы уменьшить кондуктивные потери тепла.

  Этого можно достичь, покрывая открытые металлические поверхности изолятором, например, напыляемой пеной.

  3. Излучение — это метод передачи тепла без использования теплоносителя.На практике это передача тепла через пространство в отсутствие воздуха. Например, солнечное излучение передает энергию через пространство, которая преобразуется в тепловую энергию, когда оно ударяется о предмет на своем пути. Все объекты способны поглощать, отражать и пропускать излучение. Излучение исходит от объектов в виде длинноволнового (инфракрасного) излучения, которое описывается как тепло. Следовательно, излучение не требует передачи воздуха (конвекция) или физического контакта с объектами (проводимость).Передача тепла в теплице осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

  Другими словами, передача тепла в теплице происходит через соприкосновение друг с другом материалов разной температуры, перенос тепловой энергии воздухом из одного места в другое и преобразование энергии от одной длины волны к другой. Тепловые радиаторы используют принцип излучения для обогрева объектов в теплице вместо воздуха, газовые печи перемещают воздух через вентилятор по горячей поверхности, используя конвекцию, для передачи тепла от объекта к воздуху и распределения воздуха по теплице. , и трубы с горячей водой, контактирующие с питательной средой или скамейками, передают тепло с помощью теплопроводности от трубы к питательной среде или от скамейки к растению.Чтобы спроектировать систему отопления для теплицы, мы должны сначала определить потенциал потерь тепла в конструкции в самых экстремальных условиях и согласовать мощность системы отопления с этим потенциалом потерь тепла.

  Нагрев горячей воды

  Есть несколько преимуществ и недостатков нагрева горячей водой.

  Преимущества водяного и парового отопления очевидны в большой теплице благодаря центральному отоплению, обеспечиваемому котлами.Количество воды в системе центрального водяного отопления будет долго остывать в случае выхода из строя котла. Это может спасти урожай от слишком быстрого остывания до того, как можно будет отремонтировать котел или ввести альтернативные нагревательные элементы.

  Трубы с подогревом горячей воды или пара могут использоваться для циркуляции под скамейками и обеспечения теплом среды для укоренения. Это нагревает среду, а не воздух, что является пустой тратой энергии, поскольку температура среды не соответствует температуре воздуха.

  Температура воздуха в теплице может быть на желаемом уровне, однако температура среды может быть на несколько градусов ниже, что создает нагрузку на корни растений и снижает продуктивность растения.Было бы необходимо поднять температуру воздуха в теплице до очень высокого уровня, чтобы поддерживать температуру среды на желаемом уровне. Этот теплый воздух также будет вызывать стресс у растений, увеличивая эвапотранспирацию и высушивая растения, увеличивая потребление воды и требуя большого количества энергии, потребляемой нагревателями.

  Метод настольного нагревания также может снизить количество патогенов, переносимых корнями, за счет поддержания теплой почвы, здоровых корней, высыхания на поливной среде и поддержания хороших условий для роста корней.Локальные системы отопления могут уступать центральным системам горячего водоснабжения или водяного пара из-за создания неблагоприятных температурных градиентов по всей теплице. Локальные нагреватели будут стремиться производить горячий воздух рядом с устройством и более холодный воздух по мере того, как воздух удаляется от нагревателя. Это может вызвать стресс у растений, ближайших к обогревателю, а также растений, находящихся на большем расстоянии.

  Стоимость системы центрального отопления будет больше, чем установка локальных обогревателей, однако в долгосрочной перспективе преимущества центрального блока намного перевесят эту первоначальную стоимость.Локальные обогреватели лучше подходят для небольших теплиц, которые не работают круглый год.

  Теплицу меньшего размера можно отапливать локальными обогревателями с гораздо меньшими затратами по сравнению с установкой центральной системы водяного или парового отопления. Использование полиэтиленовых трубок для более равномерного распределения воздуха минимизирует это колебание температуры, однако нагревается только воздух, а не среда. В отличие от локальных систем отопления, тепло пара и горячей воды может создавать в теплице благоприятные воздушные потоки.Они также могут создавать неблагоприятные воздушные потоки в теплице, если трубы неправильно размещены вокруг теплицы.

  Контроль воздушных потоков в теплице очень важен для здоровья растений. Если растения вдоль стены теплицы подвергаются высоким или низким колебаниям температуры в течение длительного периода времени, растения будут подвергаться стрессу и могут отставать в росте или расти аномально, что сделает растения непригодными для продажи и увеличит урожай. стоимость товарных растений в теплице.Правильное использование труб водяного или парового отопления под скамейками и вдоль внешних стен может нормализовать температуру воздуха по всей теплице и устранить горячие или холодные точки в теплице.

  При наличии надлежащих циркуляционных вентиляторов и датчиков температуры производитель может поддерживать надлежащую температуру на уровне растений и производить качественные растения по всей теплице.

  Пар, производимый паровыми нагревателями, можно использовать для стерилизации почвы в теплице, однако широкое использование беспочвенных сред перевешивает это преимущество.Системы водяного и парового отопления также могут использоваться для нагрева поливной воды, чтобы предотвратить воздействие холодной воды на растения.

  Локальные отопительные установки могут производить выбросы, вредные для тепличных растений или рабочих в теплице. Если воздухонагреватели не выводятся наружу должным образом, из-за неправильно сгоревшего топлива могут образовываться ядовитые для растений и людей газы. Эта возможность практически исключается с помощью систем центрального отопления, поскольку агрегаты обычно отделены от остальной теплицы и, следовательно, вентилируются должным образом.

  Требования к вентиляции

  Расчет потребности в вентиляции:

  Следовательно, согласно вышеприведенным расчетам, максимальное количество воздуха, необходимое вентиляторам для достижения максимального летнего максимума, составляет 54 312 кубических футов в минуту. Минимальное необходимое движение воздуха составляет 3395 кубических футов в минуту. Скорость вентиляции с использованием многотрубок будет (максимум зимой x 1,10) 13 578 кубических футов в минуту x 1,10 = 14 936 кубических футов в минуту.

  Из представленной таблицы 3-4 мы можем выбрать несколько комбинаций вентиляторов.Поскольку в предлагаемой теплице три пролета, мы должны рассмотреть вентилятор для каждого пролета.

  Три 42-дюймовых (107 см) вентилятора мощностью 3/4 лошадиных силы, каждый из которых производит 15 000 кубических футов в минуту при статическом давлении 0,1 дюйма, и три 24-дюймовых (61 см) вентилятора мощностью 1/4 лошадиных силы каждый обеспечат 4700 кубических футов в минуту. Летний максимум будет обеспечен включением всех вентиляторов, 3 x 15 000 + 3 x 4700 = 59 100 кубических футов в минуту одновременно. Зимнего максимума можно достичь, используя один из 42-дюймовых вентиляторов или все три 24-дюймовых вентилятора. Зимний минимум может быть достигнут при использовании одного из 24-дюймовых вентиляторов производительностью 4700 кубических футов в минуту.

  Если будет установлена ​​система из полимерных трубок, то ее нужно будет перемещать максимум на 14 936 кубических футов в минуту. Это может быть обеспечено тремя 61-сантиметровыми (24-дюймовыми) вентиляторами мощностью 1/3 лошадиных сил, производящими 5700 кубических футов в минуту каждый, что в сумме составляет 17 100 кубических футов в минуту. Немного больше cfms, чем требуется, но лучше иметь емкость, чем быть недостаточной. Используя альтернативные методы расчета, для этой теплицы требуются следующие вентиляторы.

  Производительность вентилятора в куб. Фут / мин = Vs x L x S

  Где

  Vs = летняя интенсивность вентиляции
  L = расстояние между вентилятором и воздухозаборником
  S = расстояние между вентиляторами в футах

  Длина боковой вентиляционной торцевой стены составляет 69 футов, тогда входное отверстие должно быть 3.15 футов высотой. В зависимости от преобладающего ветра в регионе теплица может быть расположена в неудобном положении для вентиляции торцевых стен, и более практичным будет боковая вентиляция. Тогда, изменив положение боковой вентиляции, длина стены будет 98,4 фута, что немного изменит уравнение. Отверстие в боковой вентиляционной стене должно быть высотой всего 2,20 фута.

  Требования к испарительной подушке для летней вентиляции

  Следовательно, разделите мощность вентилятора на 250

  21 509/250 = 86 футов ²

  Поскольку имеется 3 вентилятора, требуется площадь площадки 258 футов ² .Накладка покроет всю длину стены; он будет размещен на боковой стенке 69 футов. Высота площадки рассчитывается путем деления площади площадки на длину площадки.

  258 футов ² /69 футов = 3,74 футов

  Таким образом, высота колодки будет 3,74 фута в высоту. Для расчета производительности насоса мы используем значение 7,4 литра воды, необходимое в минуту на каждый метр длины колодки.

  Производительность насоса = 7,4 л / мин / метр x 21 м = 155,4 л / мин

  Размер резервуара рассчитывается с использованием значения 18.6 литров воды на метр длины подушки.

  18,6 л / м x 21 м = 390,6 литра

  Примечание. Системы охлаждения с испарительной подушкой работают по принципу, согласно которому для изменения состояния материала (воды) с жидкого состояния на газообразное требуется тепло. Используемое тепло отбирается из окружающего воздуха, что снижает температуру воздуха в процессе. Этот охлаждающий эффект лучше всего работает с горячим сухим воздухом, но теряет свою эффективность, если воздух имеет высокую относительную влажность. Области с периодами высокой относительной влажности (выше 60%), что снижает эффективность системы охлаждения с испарительной подушкой.

  Существует ряд методов энергосбережения, которые можно использовать в этой теплице для экономии энергии.

  Это:

  1. Использование энергетических завес в ночное время для уменьшения количества тепла, теряемого через крышу и боковые стены. Это, вероятно, наиболее эффективный шаг по сбережению энергии, который может сделать оператор теплицы, поскольку он может сэкономить до 65% от общего количества тепла, теряемого через остекление теплицы на крыше, и 35% тепла, теряемого через боковые стены.Это может составлять 20-40% ежегодной экономии от счета за электроэнергию.
  2. Изоляция торцевых стен и фронтонов. Это снизит количество тепла, теряемого через эти конструкции, без значительного влияния на светосилу теплицы.
  3. Фундамент и периметр должны быть изолированы, чтобы предотвратить теплопотери через землю. В некоторых случаях это может привести к значительным потерям тепла.
  4. Все трещины, отверстия, щели в пластике и воздушные пространства между остеклением и другими материалами должны быть заделаны, чтобы снизить скорость проникновения воздуха.
  5. Входные отверстия и выходы вентиляторов должны быть закрыты от протечек, и, если возможно, весь открытый металл должен быть изолирован, поскольку металл является хорошим проводником тепла. Это может быть достигнуто путем использования уплотнительной ленты вокруг вентилятора и кожухов вентиляционных отверстий, а затем распыления изоляции на крышки вентиляционных отверстий, чтобы покрыть металл.
  6. Закрытие теплицы в самое холодное время года позволит сэкономить значительное количество энергии, а также поможет снизить популяцию насекомых и, в некоторых случаях, заболеваемость.
  7. Понижение температуры в теплице также сэкономит энергию, однако слишком сильное понижение температуры нанесет вред растениям и может снизить их продуктивность. Некоторым растениям рекомендуется понижать температуру ночью и увеличивать ее днем. Выбор растений для прохладного климата в самую холодную часть сезона также может снизить потребление тепла.
  8. Правильное обслуживание всего оборудования в теплице гарантирует, что оборудование будет работать с максимальной производительностью и эффективностью, а также будет экономить энергию.Сюда входят все нагревательные механизмы и электрическое оборудование, такое как двигатели.

  Как рассчитать время нагрева или охлаждения | Блог

  Во многих случаях может быть полезно узнать, сколько времени потребуется, чтобы нагреть или охладить вашу систему до определенной температуры. Или вы можете рассчитать, сколько энергии требуется для нагрева или охлаждения данного объема жидкости за определенный промежуток времени.

  К счастью, есть довольно простое уравнение, которое можно использовать, если вы знаете массу жидкости в ванне, ее удельную теплоемкость, разницу температур, а также мощность или время.

  Тем не менее, использование этого уравнения не совсем надежно, поскольку существуют различные факторы, которые могут нарушить расчет. В этом посте мы рассмотрим уравнение для расчета времени нагрева или охлаждения и причины, по которым вам следует искать систему с чуть большей мощностью, чем вы думаете, что вам нужно.

  Расчет времени нагрева или охлаждения

  Вы можете использовать то же основное уравнение для расчета времени нагрева или охлаждения, хотя для расчета времени охлаждения требуется немного больше работы.При нагреве подаваемая мощность постоянна, но при охлаждении мощность (или охлаждающая способность) изменяется в зависимости от температуры.

  Расчет времени нагрева

  Чтобы узнать, сколько времени потребуется для нагрева ванны до определенной температуры, можно использовать следующее уравнение:

  t = mcΔT / P

  Где:

  • т — время нагрева или охлаждения в секундах
  • м — масса жидкости в килограммах
  • c — удельная теплоемкость жидкости в джоулях на килограмм и на Кельвин
  • ΔT — разница температур в градусах Цельсия или Фаренгейта
  • P — мощность, с которой передается энергия, в ваттах или джоулях в секунду

  Аналогичным образом, чтобы рассчитать мощность, необходимую для нагрева или охлаждения ванны до определенной температуры за заданное время, вы можете использовать это уравнение:

  P = mcΔT / т

  Хотя этим уравнениям довольно просто следовать, может возникнуть некоторая путаница, когда дело доходит до того, какие единицы использовать.Вместо этого вы можете использовать онлайн-калькулятор.

  Этот красивый и простой калькулятор позволяет рассчитать время, мощность или потребляемую энергию, но он годится только для расчетов с использованием воды. Если вам нужно рассчитать время нагрева для других жидкостей, этот калькулятор больше подходит, поскольку он позволяет вам ввести удельную теплоемкость вещества, которое вы используете. У него есть две опции, позволяющие рассчитать либо требуемую мощность, либо необходимое время.

  Калькулятор услуг по технологическому отоплению.

  Расчет времени охлаждения

  Для расчета времени охлаждения вы можете использовать то же уравнение, что и выше. Вопрос в том, какое значение вы должны использовать для мощности. Холодопроизводительность (или мощность охлаждения) зависит от температуры. Холодопроизводительность снижается при более низких заданных температурах, поскольку разница температур между охлаждающей жидкостью и хладагентом меньше. Теплопередача снижается, поэтому снижается охлаждающая способность.

  Например, вот характеристики охлаждающей способности для охлаждающих и нагреваемых циркуляционных ванн PolyScience 45 л.

  У вас есть несколько вариантов, в зависимости от того, насколько точно вы хотите, чтобы ваш расчет был:

  • Используйте консервативную оценку , предполагая более низкую мощность до следующей указанной температуры. Например, принимая указанные выше характеристики, вы можете предположить, что охлаждающая способность составляет 250 Вт для всех температур от -20 ° C до 0 ° C и 800 Вт для всех температур от 0 ° C до 20 ° C.
  • Возможно занижение, но с большей точностью путем измерения средней мощности между различными температурами.
  • Используйте быстрый и грязный (и, вероятно, менее точный) метод , учитывая только охлаждающую способность при средней температуре.
  • Выберите альтернативный быстрый метод , который использует средние значения холодопроизводительности в различных точках диапазона температур (точки должны включать верхний и нижний пределы диапазона температур, чтобы это было жизнеспособным).

  Что делать, если ваша минимальная температура ниже минимальной указанной температуры холодопроизводительности? Как правило, это не должно вызывать беспокойства, поскольку значения холодопроизводительности обычно указываются для температуры, равной или ниже минимальной температуры агрегата.

  Если вы пытаетесь охладить до более низкой температуры, она может быть слишком низкой, а это означает, что устройство не сможет обеспечить необходимую вам охлаждающую способность. Однако, если в технических характеристиках не указана охлаждающая способность при температуре, близкой к минимальной температуре устройства, вы можете попросить производителя или нас предоставить необходимую информацию.

  Факторы, которые следует учитывать при расчете времени нагрева или охлаждения

  Как уже упоминалось, есть несколько причин, по которым ваши расчеты могут не дать реалистичного результата.Таким образом, если вы используете это уравнение для определения времени нагрева или охлаждения, вы должны предположить, что процесс займет немного больше времени, чем ожидалось. Точно так же, если вы используете расчет, чтобы определить, сколько энергии вам нужно для достижения заданного времени нагрева или охлаждения, вы должны предположить, что потребуется некоторая дополнительная мощность.

  Вот факторы, которые необходимо учитывать:

  1. Повышение или потеря тепла окружающей среды

  Прирост или потеря тепла из-за окружающей среды неизбежны даже в закрытой системе.Охлаждаемая система может поглощать тепло из окружающего воздуха или компонентов системы, снижая ее охлаждающую способность. В системе отопления вы можете терять тепло в окружающий воздух или компоненты системы, например, когда оно проходит по трубам или трубам.

  Изоляция вашей системы и контроль температуры окружающей среды могут помочь, но все же может быть неизвестное количество тепла.

  2. Потери жидкости из-за испарения

  Если вы работаете с открытой системой, вы можете потерять часть жидкости из-за испарения во время процесса нагрева или охлаждения.Количество происходящего испарения будет зависеть от нескольких факторов, в том числе:

  • Какую жидкость вы используете: Жидкости с более низкой точкой кипения, такие как этанол, метанол и вода, могут легко испаряться.
  • Площадь поверхности ванны: Чем больше площадь поверхности, тем выше скорость испарения.
  • Используемый диапазон температур: Чем выше температура, тем выше скорость испарения.

  Потеря тепла происходит из-за испарения, и когда вы тратите тепловую энергию впустую, время, необходимое для нагрева ванны, увеличивается.Кроме того, в результате потери жидкости значение массы (m) в уравнении не будет точным, что может привести к ухудшению результатов. Если вы используете смесь из двух или более жидкостей, и один компонент смеси испаряется быстрее, чем другие, соотношение будет изменено, что приведет к неточности в определении удельной теплоемкости (c).

  Испарение трудно предсказать и точно учесть (и если вы достаточно хорошо разбираетесь в термодинамике, чтобы делать это комфортно, вы, вероятно, не читали бы эту статью).Таким образом, лучше всего либо оценить скорость испарения с помощью эмпирического теста, а затем учесть это математически, используя теплоту испарения, либо просто добавить коэффициент безопасности.

  3. Проблемы с обслуживанием

  В системах отопления из-за отложений минералов на элементах водяной бани обычно накапливается накипь. При отсутствии контроля это накопление может повлиять на эффективность передачи тепла от элемента к жидкости. Поскольку элемент изолирует накипь, требуется больше энергии для нагрева системы до желаемой температуры.

  При нагревании увеличивается время, необходимое для достижения желаемой температуры в системе заданной мощности. Если вы смотрите на мощность, она увеличит количество энергии, необходимое для достижения желаемой температуры за определенное время.

  Для систем охлаждения на холодопроизводительность также могут влиять проблемы с обслуживанием. В конденсаторах с водяным охлаждением коррозия, образование накипи или биологический рост могут препятствовать передаче тепла, снижая охлаждающую способность. В конденсаторах с воздушным охлаждением скопление пыли и мусора на лопастях и ребрах вентилятора может уменьшить воздушный поток, что приведет к аналогичному эффекту снижения охлаждающей способности.

  Регулярное техническое обслуживание вашего устройства, включая очистку различных компонентов, промывку жидкости и использование ингибитора коррозии, может помочь.

  Радиационная теплопередача — обзор

  4.3.5.4 Тепловое излучение внутри вакуума (без газа)

  Элемент поверхности dA _j расположен на пространственной поверхности A _j , направляя излучение в поверхность A _i .Мощность излучения от поверхностного элемента dA _j до элемента dA _i согласно формуле. (4.211) равно

  (4.214) dΦji = Li (ωj) dAjcosvjdωj⋅

  Телесный угол d ω _j = dA _i cos ϑi / r2. Уравнение (4.211) дает

  (4,215) dΦjidAi = L (ωj) cosvivjr2 = dAi = dEij,

  , где E _ij — это доля излучения от dA _{j интенсивность излучения дА i .Если закон косинуса Ламберта верен, L не зависит от направления и}

  (4,216) πLj = Mj⋅

  Таким образом,

  (4,217) dEij = Mjcosvicos vjπr2dAi

  (4,218) dEij = MjϕijdAj⋅

  Фактор видимости

  ⋅

  элемент поверхности ϕ _ij зависит от геометрии и дает ту часть интенсивности излучения dA _j , которая падает непосредственно на поверхность dA _i или наоборот.

  Интенсивность излучения элемента поверхности складывается из излучения и отражения:

  (4,219) Mi = εiMmi + ρiEi,

  , где ρ = коэффициент отражения, а

  (4,220) Ei = ∫AiϕijMjdAj,

  дает интеграл формула для функции интенсивности излучения,

  (4.221) Mi = εiMmi + ρi∫AiϕijMjdAj⋅

  Уравнение (4.221) трудно решить, и для практических случаев используются приближенные методы.

  Обычно поверхность делится на зоны, и с достаточной точностью M считается постоянной на этой площади, что дает

  (4.222) Mi = εiMmi + ρi∑Mkfik,

  , где

  (4,223) fik = ∫AkΦikdAk

  Также путем интегрирования

  (4,224) MlAl = ∫AlMldAl = εiAlMmi3 + ρi∑20003 (4.225) Fkl = 1A∫AlflkdAl = 1Al∫Al∫AkϕlkdAkdA1

  F _kl — коэффициент видимости между двумя конечными поверхностями, и A _l F 0009 A _kl — геометрическая поверхность излучения.Уравнение (4.225) показывает, что геометрическая поверхность излучения симметрична, и поэтому

  (4.226) Akl = Alk⋅

  Интегрированные по полупространству интегралы (4.223) равны 1. Таким образом, в полости

  (4.227) ∑Fkl = 1 и∑Akl = Ak⋅

  В эту сумму входят все полые поверхности, а также поверхность k , если она вогнутая, и в этом случае часть F _kk принятого излучения отражается обратно.

  Чистая мощность излучения, падающего на поверхность, представляет собой разницу между входящим и исходящим излучением и разницу между поглощением и излучением:

  (4.228) ΦnetA = q = E − M = αE − εMm⋅

  Исключение E при ε = α,

  (4,229) q = (M − Mmεα) αρ = ερ (M − Mm) ⋅

  Для прямого чистое излучение между двумя черными телами (из уравнения (4.220)),

  (4.230) Φ12net = (Mm1 − Mm2) A12 = A12σ (T14 − T24) ⋅

  Радиационная теплопередача в полости может быть представлена ​​по электрической аналогии как

  (4,231) Φnet = qA = αρA (M − εαMm) = G (M − U) ток = проводимость × разность потенциалов

  где (ε / α) M _м = U = излучение потенциал, зависящий от температуры; ε зависит от радиационных свойств поверхности и температуры; и α зависит от спектра входящего излучения.(α / ρ) A = G = радиационная проводимость между потенциалами U и M .

  Для серого тела

  Φ = G (M − U)

  Когда поверхность черная, G = ∞ или R = 0, а α = 1 и σ = 0; точки U и M объединяются и потенциал составляет M _m .

  Когда поверхность теплоизолирована, Φ _net = 0. Точки U и M объединяются, и потенциал равен M = (ε / α) M _м = UE = М .

  Для двух поверхностей Φ _{ij net} = E _ij A _i — E _ji A A _ij ( M _j — M _i ), поэтому по аналогии A _ij — проводимость излучения 9 M и A _j (см.рис.4.32).

  РИСУНОК 4.32. Радиационная сетка для полости с четырьмя поверхностями.

  Когда в полости всего две поверхности, чистое тепловое излучение составляет

  (4,232) Φ12 = G (U1 − U2) = U1 − U21G1 + 1A12 + 1G2 = ε1α1Mm1 − ε2α2Mm2ρ1α1A1 + 1A12 + ρ2α2A2⋅ Если 9000 поверхность 1 выпуклая или плоская, все поступающее излучение идет с поверхности 2 и F ₁₂ = 1, в то время как коэффициент видимости выражает ту часть излучения, которое исходит от этой поверхности. Если поверхность 2 вогнутая, часть излучения также исходит от этой поверхности.

  A1F12 = A12 = A21 = A2F21 = A1

  (4,233) q1 = Φ12A1 = ε1α1Mm1 − ε2α2Mm2ρ1α1 + 1 + ρ2α2A1A2⋅

  Когда ρ ₁ = 1 — α ₁

  ε1α1Mm1 − ε2α2Mm21α1 + ρ2α2A1A2⋅

  Уравнение (4.234) справедливо для двух соосных цилиндров и сфер. Если A ₂ >> A ₁ , α ₁ ≈ ε ₂ , так как почти все излучение от поверхности 2 отражается обратно на нее.

  (4,235) q1 = Mm1ε1 − Mm2α1⋅

  Для двух плоскостей, размеры которых велики по сравнению с расстоянием между ними,

  (4.236) F12 = F21 = 1A12 = A1 = A2q1 = ε1α1Mm1 − ε2α2Mm2ρ1α1 + 1 + ρ2α2 = ε1α1Mm1 − ε2α2Mm21 − α1α1 + 1 + 1 − α2α2 = ε1α1Mm1 − ε2α2Mm21α1 + 1 оценка коэффициента поглощения 9α2Mm21α1 + 1 . Примерно α ₁ = ε ₁ ( T ₂ ) и α ₂ = ε ₂ ( T ₁ ).

  Когда зависимости поглощения не зависят от температуры, можно использовать следующие приближения (α = ε = constant = 1 — ρ). Для двух соосных цилиндров и сфер.

  (4,237) q = Mm1 − Mm21 − ε1ε1 + 1 + 1 − ε2ε2A1A2 = Mm1 − Mm21ε1 + A1A2 (1ε2−1) ⋅

  Для двух параллельных плоскостей A ₁ ≈ A 9000 ,

  (4,238) q = Mm1 − Mm21ε1 + 1ε2−1⋅

  При A ₂ >> A ₁ ,

  (4,239) q = ε1 (Mm1 − Mm2) ⋅

  В технологии HVAC используется следующая формула для небольших температурных перепадов с достаточной точностью (см. Рис. 4.33):

  РИСУНОК 4.33. Коэффициент теплопередачи, представляющий излучение абсолютно черного тела для различных средних температур и разностей температур.

  (4,240) qi = αsΔT≈ε1αmuΔT⋅

  Пример 4

  Радиационная теплопередача. Радиационная теплопередача между двумя параллельными плоскостями уменьшается за счет размещения параллельного алюминиевого листа в середине зазора. Температуры поверхности равны θ ₁ = 40 ° C и θ ₂ = 5 ° C соответственно; излучательная способность ε ₁ = ε ₂ = 0.85. Коэффициент излучения с обеих сторон алюминия равен ε _a = 0,05. Подсчитайте, насколько снижается радиационная теплопередача за счет алюминиевого листа; температура поверхности остается постоянной, и поверхности считаются серыми.

  Без алюминиевого листа

  q12 = Mm1 − Mm21ε1 + 1ε2−1 = σ (T14 − T24) 2ε − 1 = 5.27Wm2 (100k) 4 (3.134−2.784) (100k) 420.85−1 = 151.9Wm2A1a = Aa2 = 11ε1 + 1ε2−1⋅

  С алюминием

  q1a = A1aσ (T14 − Ta4) = qa2 = Aa2σ (Ta4 − T24) ⇒Ta4 = T14 − T242 = 3134 + 27842 = 7.785 × 109 K4⋅

  Таким образом,

  q1a = 110,85 + 10,05−15,67Втм2 (100K) 4 (3,134−77,85) (100K) 4 = 5,1Втм2⋅

  Радиационная теплопередача уменьшается на

  1−5,1151,9 × 100% = 96,6% ⋅

  Теплообменники | Справочник по переработке молочных продуктов

  Цели термообработки

  К концу XIX века термообработка молока стала настолько обычным явлением, что большинство молочных заводов использовали этот процесс для тех или иных целей, например, для молока, предназначенного для производства сыра и масла.
  До того, как была введена термическая обработка, молоко было источником инфекции, так как это идеальная среда для роста микроорганизмов. Такие болезни, как туберкулез и тиф, иногда передавались через молоко.
  Термин «пастеризация» напоминает о Луи Пастере, который в середине 19 века провел фундаментальные исследования смертельного воздействия тепла на микроорганизмы и использования термической обработки в качестве консерванта. Пастеризация молока — это особый вид термической обработки, который можно определить как «любую термическую обработку молока, обеспечивающую определенное уничтожение туберкулезной палочки (T.Б.) без заметного влияния на физические и химические свойства молока ».
  При рассмотрении истории пастеризации стоит упомянуть, что, хотя ученые повсюду довольно близко согласились с необходимой степенью термической обработки, в коммерческой практике долгое время этот процесс очень слабо контролировался. Молоко часто было либо перегретым, либо недогретым, так что оно либо имело привкус вареной, либо обнаруживалось, что оно содержит жизнеспособный туберкулез.
  В середине 1930-х (JDR: 6/191) Кей и Грэм объявили об обнаружении фермента фосфатазы.Этот фермент всегда присутствует в сыром молоке и разрушается комбинацией температуры и времени, необходимой для эффективной пастеризации. Кроме того, его наличие или отсутствие легко подтверждается (тест на фосфатазу). Отсутствие фосфатазы указывает на то, что молоко достаточно нагрето.

  К счастью, все обычные патогенные организмы, которые могут встречаться в молоке, уничтожаются относительно мягкой термической обработкой, которая очень незначительно влияет на физические и химические свойства молока.Наиболее устойчивым организмом является туберкулезная палочка (T.B.), которую можно убить, нагревая молоко до 63 ° C в течение 10 минут. Полная безопасность может быть обеспечена путем нагревания молока до 63 ° C в течение 30 минут. Т. поэтому считается индексным организмом для пастеризации: любая термическая обработка, разрушающая T.B. можно положиться на уничтожение всех других патогенов в молоке.
  Помимо патогенных микроорганизмов, молоко также содержит другие вещества и микроорганизмы, которые могут испортить вкус и сократить срок хранения различных молочных продуктов.Следовательно, вторичная цель термической обработки используется для уничтожения как можно большего количества этих других организмов и ферментных систем. Это требует более интенсивной термической обработки, чем требуется для уничтожения болезнетворных микроорганизмов.
  Эта вторичная цель термической обработки становится все более важной по мере того, как молочные заводы становятся больше и меньше. Более длительные интервалы между доставками означают, что, несмотря на современные методы охлаждения, у микроорганизмов больше времени для размножения и развития ферментативных систем.Кроме того, компоненты молока разлагаются, снижается pH и т. Д. Чтобы преодолеть эти проблемы, необходимо как можно быстрее проводить термическую обработку после того, как молоко поступит на молочный завод.

  Это очень удачно, что ни один из основных патогенов в молоке не образует споры.

  Комбинация времени / температуры

  Рис. 6.1.1

  Смертельное действие на бактерии.

  Комбинация температуры и времени выдержки очень важна, так как она определяет интенсивность термообработки.На рис. 6.1.1 показаны кривые летального эффекта для бактерий группы кишечной палочки, тифа и туберкулезных бактерий. Согласно этим кривым, бактерии группы кишечной палочки погибают, если молоко нагревается до 70 ° C и выдерживается при этой температуре около одной секунды. При температуре 65 ° C время выдержки составляет 10 секунд, чтобы убить бактерии группы кишечной палочки. Эти две комбинации, 70 ° C / 1 с и 65 ° C / 10 с, следовательно, имеют одинаковый летальный эффект.
  Туберкулезные палочки более устойчивы к термической обработке, чем бактерии группы кишечной палочки.Время выдержки составляет 20 секунд при 70 ° C или около 2 минут при 65 ° C, чтобы гарантировать, что все они будут уничтожены. В молоке тоже могут быть термостойкие микрококки, но, как правило, они совершенно безвредны.

  Ограничивающие факторы для термической обработки

  Интенсивная термическая обработка молока желательна с микробиологической точки зрения. Но такое лечение также сопряжено с риском неблагоприятного воздействия на внешний вид, вкус и пищевую ценность молока. Белки в молоке денатурируются при высоких температурах.Это означает, что сыродельные свойства молока резко ухудшаются из-за интенсивной термической обработки. Интенсивное нагревание приводит к изменению вкуса; сначала приготовленный ароматизатор, а затем пригоревший аромат. Таким образом, выбор комбинации времени / температуры является вопросом оптимизации, при которой необходимо учитывать как микробиологические эффекты, так и аспекты качества.
  Поскольку термическая обработка стала наиболее важной частью переработки молока, а знания о ее влиянии на молоко стали более понятными, были инициированы различные категории термической обработки, как показано в Таблице 6.1.1.

  Таблица 6.1.1

  Основные категории термической обработки в молочной промышленности

  75 908

  Процесс	Температура, ° C	Время
  Термизация
  LTLT пастеризация молока	63	30 мин
  пастеризация молока
  15-20 с
  HTST пастеризация сливок и т. Д.	> 80	1–5 с
  Ультра пастеризация	125–138	2–4 с
  UHT (проточная стерилизация) обычно	135–140	несколько секунд
  Стерилизация в контейнере	115-120	20-30 мин

  Термизация

  На многих крупных молочных заводах невозможно пастеризовать и обработать все молоко сразу после получения.Некоторое количество молока необходимо хранить в силосных резервуарах в течение нескольких часов или дней. В этих условиях даже глубокого охлаждения недостаточно, чтобы предотвратить серьезное ухудшение качества.
  Поэтому многие молочные предприятия предварительно нагревают молоко до температуры ниже температуры пастеризации, чтобы временно подавить рост бактерий. Этот процесс называется термизацией. Молоко нагревается до 63–65 ° C в течение примерно 15 секунд, сочетание времени и температуры не инактивирует фермент фосфатазу. Двойная пастеризация запрещена законом во многих странах, поэтому термизация не должна соответствовать условиям пастеризации.
  Чтобы предотвратить размножение аэробных спорообразующих бактерий после термической обработки, молоко необходимо быстро охладить до 4 ° C или ниже, и его нельзя смешивать с необработанным молоком. Многие специалисты считают, что термизация благоприятно влияет на определенные спорообразующие бактерии. Тепловая обработка заставляет многие споры возвращаться в вегетативное состояние, что означает, что они разрушаются при последующей пастеризации молока.
  Термизацию следует применять только в исключительных случаях.Задача должна состоять в том, чтобы пастеризовать все поступающее молоко в течение 24 часов с момента прибытия на молочный завод.

  LTLT пастеризация

  Первоначальный тип термообработки представлял собой периодический процесс, при котором молоко нагревали до 63 ° C в открытых чанах и выдерживали при этой температуре в течение 30 минут. Этот метод называется методом держателя или методом длительной низкой температуры (LTLT).
  В настоящее время молоко почти всегда подвергается термообработке в непрерывных процессах, таких как термическая обработка, пастеризация методом высокотемпературной термообработки или ультрапастеризация.

  HTST пастеризация

  HTST — это сокращение от High Temperature Short Time. Фактическая комбинация времени / температуры варьируется в зависимости от качества сырого молока, типа обрабатываемого продукта и требуемых характеристик хранения.

  Молоко

  Рис. 6.1.2

  Кривые летального воздействия и кривые время / температура для разрушения некоторых ферментов и микроорганизмов.

  Процесс HTST для молока включает нагревание до 72–75 ° C с выдержкой 15–20 секунд перед охлаждением.Фермент фосфатаза разрушается этой комбинацией времени / температуры. Поэтому тест на фосфатазу используется для проверки того, что молоко правильно пастеризовано. Результат теста должен быть отрицательным; не должно быть обнаруживаемой активности фосфатазы (рис. 6.1.2).

  Сливки и культивированные продукты

  Тесты на фосфатазу не следует использовать для продуктов с содержанием жира выше 8%, так как некоторая реактивация фермента происходит через довольно короткое время после пастеризации. Термическая обработка также должна быть более жесткой, поскольку жир плохо проводит тепло.
  Пероксидаза, другой фермент, поэтому используется для проверки результатов пастеризации сливок (тест на пероксидазу по Шторчу). Продукт нагревают до температуры выше 80 ° C, выдерживая около пяти секунд. Этой более интенсивной тепловой обработки достаточно, чтобы инактивировать пероксидазу. Тест должен быть отрицательным — в продукте не должно быть обнаруживаемой активности пероксидазы (рисунок 6.1.2).
  Поскольку тест на фосфатазу нельзя использовать и для подкисленных продуктов, контроль нагрева основан на ферменте пероксидазе.Молоко, предназначенное для производства кисломолочных продуктов, обычно подвергается интенсивному нагреванию для коагуляции белков сыворотки и повышения его водосвязывающих свойств, то есть предотвращения образования сыворотки.

  Ультра пастеризация

  Ультра пастеризация может использоваться, когда требуется определенный срок хранения. Некоторым производителям достаточно двух дополнительных дней, в то время как другие стремятся к дополнительным 30-40 дням сверх 2-16 дней, которые традиционно связаны с пастеризованными продуктами. Основополагающий принцип — уменьшить основные причины повторного заражения продукта во время обработки и упаковки, чтобы продлить срок хранения продукта.Это требует чрезвычайно высоких уровней производственной гигиены и температуры распределения не выше 7 ° C; чем ниже температура, тем дольше срок хранения.
  Нагревание молока до 125–138 ° C в течение 2–4 секунд и охлаждение до <7 ° C - основа продления срока хранения. ESL (увеличенный срок хранения) - это общий термин для термически обработанных продуктов, которым тем или иным образом были приданы улучшенные свойства хранения. Тем не менее, продукты ESL должны храниться в холодильнике во время распространения и в розничных магазинах.

  UHT-обработка

  UHT — это аббревиатура от Ultra High Temperature. УВТ-обработка — это метод сохранения жидких пищевых продуктов путем их кратковременного интенсивного нагревания, обычно до температур в диапазоне 135–140 ° C. Это убивает микроорганизмы, которые в противном случае уничтожили бы продукты.
  UHT-обработка — это непрерывный процесс, который происходит в закрытой системе, что предотвращает загрязнение продукта переносимыми по воздуху микроорганизмами. Продукт быстро проходит стадии нагрева и охлаждения.Асептическое розлив, чтобы избежать повторного заражения продукта, является неотъемлемой частью процесса.

  Используются два альтернативных метода ультрапастеризации:

  • Непрямое нагревание и охлаждение в теплообменниках,
  • Прямое нагревание путем впрыска пара или вливания молока в пар и охлаждение путем расширения в вакууме.

  Стерилизация

  Первоначальной формой стерилизации, которая используется до сих пор, является стерилизация в контейнере, обычно при 115–120 ° C в течение примерно 20–30 минут.
  После стандартизации жира, гомогенизации и нагревания примерно до 80 ° C молоко упаковывают в чистую тару; обычно стеклянные или пластиковые бутылки для молока и бидоны для сгущенного молока. Еще горячий продукт подается в автоклавы при серийном производстве или в гидростатическую башню при непрерывном производстве.

  Нагрев и охлаждение — самые важные операции на молочном заводе.

  Предварительный нагрев

  Обычно желаемые температуры обработки достигаются сразу после пастеризации, но иногда необходимо временно охладить и хранить молоко перед окончательной обработкой.Ниже приведены некоторые примеры.
  Сырное молоко предварительно нагревается до 30–35 ° C перед помещением в чан, где перед добавлением сычужного фермента производится окончательная регулировка температуры. В качестве теплоносителя используется горячая вода. Теплая сыворотка из предыдущей партии также может использоваться на первом этапе предварительного нагрева, чтобы сократить расходы на нагрев.
  Йогуртовое молоко предварительно нагревается до 40–45 ° C перед бродильным чаном, где происходит добавление культуры. В качестве теплоносителя используется горячая вода.
  Молоко также можно предварительно нагреть перед добавлением других ингредиентов (таких как шоколадный порошок, сахар или жиры) при производстве различных пищевых продуктов на основе молока.

  Процессы теплопередачи на молочном заводе

  Одним из важнейших требований современного молочного производства является возможность контролировать температуру продуктов на каждом этапе производственного процесса. Поэтому нагрев и охлаждение являются очень распространенными операциями на молочном заводе.

  Отопление

  В качестве теплоносителя для нагрева молока используется горячая вода или иногда пар низкого давления. Некоторое количество тепла передается от теплоносителя к молоку, так что температура последнего повышается, а температура теплоносителя соответственно падает.

  Охлаждение

  Сразу после доставки на молочный завод молоко часто охлаждается до низкой температуры (5 ° C или ниже), чтобы временно предотвратить рост микроорганизмов. После пастеризации молоко снова охлаждают примерно до 4 ° C.
  Если имеется естественная холодная вода, ее можно использовать для предварительного охлаждения после пастеризации и регенеративного теплообмена. Во всех случаях тепло передается от молока к охлаждающей среде. Температура молока снижается до желаемого значения и соответственно повышается температура охлаждающей жидкости.Охлаждающей средой может быть холодная вода, ледяная вода, солевой раствор или спиртовой раствор, такой как гликоль.

  Регенеративное нагревание и охлаждение

  Во многих случаях продукт необходимо сначала нагреть для определенной обработки, а затем охладить. Примером может служить пастеризация молока. Охлажденное молоко нагревается от 4 ° C до температуры пастеризации 72 ° C, выдерживается при этой температуре в течение 15 секунд, а затем снова охлаждается до 4 ° C.
  Тепло пастеризованного молока используется для нагрева холодного молока.Поступающее холодное молоко предварительно нагревается выходящим горячим молоком, которое одновременно предварительно охлаждается. Это экономит энергию на отопление и охлаждение. Процесс происходит в теплообменнике и называется регенеративным теплообменом или, чаще, рекуперацией тепла. От 94 до 95% теплоты пастеризованного молока можно использовать повторно.

  Теплопередача

  Два вещества должны иметь разную температуру, чтобы передавать тепло от одного к другому. Тепло всегда течет от более теплого вещества к более холодному.Тепловой поток идет быстро, когда разница температур велика. Во время передачи тепла разница температур постепенно уменьшается, и скорость передачи замедляется, полностью прекращаясь, когда температуры выравниваются.

  Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

  • Проводимость означает передачу тепловой энергии через твердые тела и через слои жидкости в состоянии покоя (без физического потока или перемешивания в направлении теплопередачи).На рисунке 6.1.3 показан пример теплопроводности чайной ложки в чашке горячего кофе. Тепло передается ручке за счет теплопроводности, которая затем становится теплее.
  • Конвекция — это форма передачи тепла, которая возникает, когда частицы с высоким содержанием тепла смешиваются с холодными частицами и передают им свое тепло за счет теплопроводности (рисунок 6.1.4). Следовательно, конвекция предполагает перемешивание. Если чайную ложку ополоснуть проточной холодной водой, тепло передается от ложки к воде, которая при этом нагревается.Нагретая вода заменяется холодной водой, которая, в свою очередь, поглощает тепло ложки. Теплообмен за счет конвекции продолжается до тех пор, пока температура ложки и проточной воды не станет одинаковой.
  • Радиация — это излучение тепла от тела, которое аккумулировало тепловую энергию (рисунок 6.1.5). Тепловая энергия преобразуется в лучистую энергию, излучаемую телом и поглощаемую другими телами, на которые оно ударяет.
  Рис. 6.1.3

  Теплопередача за счет теплопроводности. Пример: тепло передается от чаши ложки к ручке.

  Рис. 6.1.4

  Теплообмен за счет конвекции. Пример: ложку ополаскивают в проточной холодной воде. Вода поглощает тепло, и ложка охлаждается, пока ложка и вода не достигнут одинаковой температуры.

  Рис. 6.1.5

  Теплообмен излучением. Пример: крыша накапливает солнечное тепло днем ​​и излучает тепло ночью.

  Практически все вещества излучают лучистую энергию.

  Принципы теплопередачи

  Вся теплопередача на молочных заводах происходит в форме конвекции и теплопроводности.Используются два принципа: прямой и косвенный нагрев.

  Прямой нагрев

  Прямой нагрев означает, что теплоноситель смешивается с продуктом.
  Этот метод используется для:

  • Нагрева воды, когда пар впрыскивается непосредственно в воду и передает тепло воде за счет конвекции и теплопроводности.
  • Нагревание продуктов, таких как творог, при производстве некоторых видов сыра (путем смешивания горячей воды с творогом) и стерилизации молока прямым методом (впрыск пара или настаивание молока в паре).Прямой метод передачи тепла эффективен для быстрого нагрева. Он предлагает определенные преимущества, которые будут рассмотрены в главе 9, посвященной производству молока длительного хранения. Однако это требует смешивания продукта с теплоносителем, что требует определенных шагов в последующем процессе. Также предъявляются строгие требования к качеству теплоносителя. В некоторых странах прямой нагрев запрещен законом на том основании, что он приводит к попаданию посторонних веществ в продукт.

  Косвенный нагрев

  Инжир.6.1.6

  Тепло передается от теплоносителя к холодному продукту на другой стороне перегородки.

  Непрямая теплопередача является наиболее часто используемым методом на молочных заводах. В этом методе между продуктом и теплоносителем помещается перегородка. Затем тепло передается от среды через перегородку к продукту (рис. 6.1.6).
  Мы предполагаем, что теплоносителем является горячая вода, текущая с одной стороны перегородки, и холодное молоко с другой.Таким образом, перегородка нагревается на стороне теплоносителя и охлаждается на стороне продукта. В пластинчатом теплообменнике пластина является перегородкой.
  С каждой стороны перегородки есть пограничный слой. Скорость жидкости замедляется трением почти до нуля на пограничном слое, контактирующем с перегородкой. Слой непосредственно за пределами пограничного слоя замедляется только жидкостью в пограничном слое и поэтому имеет низкую скорость. Скорость увеличивается постепенно и достигает максимума в центре канала.
  Точно так же температура горячей воды самая высокая в середине канала. Чем ближе вода к перегородке, тем больше она охлаждается холодным молоком с другой стороны. Тепло передается пограничному слою посредством конвекции и теплопроводности. Переход от пограничного слоя через стенку к пограничному слою на другой стороне почти полностью происходит за счет теплопроводности, тогда как дальнейший переход к молоку в центральной зоне канала осуществляется как за счет теплопроводности, так и конвекции.

  Теплообменник

  Рис. 6.1.7

  Температурные профили теплопередачи в теплообменнике.

  Теплообменник используется для передачи тепла косвенным методом.
  Несколько различных типов будут описаны позже. Можно упростить теплопередачу, символически представив теплообменник в виде двух каналов, разделенных трубчатой ​​перегородкой.
  Горячая вода (красная) течет по одному каналу, а молоко (синее) — по другому.Тепло передается через перегородку. Горячая вода поступает в канал с температурой t _i2 и охлаждается на выходе до температуры t ₀₂ . Молоко поступает в теплообменник с температурой ti1 и нагревается горячей водой до температуры на выходе t ₀₁ . Изменения температуры при прохождении через теплообменник показаны кривыми на рисунке 6.1.7.

  Размеры теплообменника

  Необходимый размер и конфигурация теплообменника зависят от многих факторов.Расчет очень сложен и в настоящее время обычно выполняется с помощью компьютера.

  Факторы, которые необходимо учитывать:

  • Расход продукта
  • Физические свойства жидкостей
  • Температурная программа
  • Допустимые перепады давления
  • Конструкция теплообменника
  • Требования к чистоте
  • Требуемое время работы

  Общая формула для расчета необходимого размера (площади теплообмена) теплообменника:

  Формула 6.1.1

  Расход продукта

  Расход V определяется запланированной производительностью молочного завода. Чем выше расход, тем больше потребуется теплообменник.

  Пример: Если расход продукта на установке должен быть увеличен с 10.000 до 20.000 л / ч, теплообменник должен быть увеличен вдвое по сравнению с исходным размером, при условии, что скорость потока рабочей среды также удвоится, другие факторы остаются постоянными.

  Физические свойства жидкостей

  Показатель плотности ρ определяется продуктом.
  Значение удельной теплоемкости cp также определяется продуктом. Удельная теплоемкость показывает, сколько тепла необходимо подвести к веществу, чтобы повысить его температуру на 1 ° C. Еще одно важное физическое свойство — вязкость. Это будет обсуждаться ниже в разделе, посвященном общему коэффициенту теплопередачи.

  Температурная программа

  Целью теплопередачи является нагрев или охлаждение определенного количества продукта, например молока, от заданной температуры на входе до заданной температуры на выходе.Это достигается в теплообменнике с помощью рабочей среды, такой как вода. В случае нагрева молоко нагревается горячей водой, температура которой соответственно падает.
  Необходимо учитывать несколько аспектов температурной программы: изменение температуры, разность температур между жидкостями и направление потока жидкостей.

  Изменение температуры

  Температура продукта на входе и выходе определяется предыдущей и последующей стадиями процесса.Изменение температуры продукта обозначено буквой Δt в приведенной выше общей формуле. Его можно выразить как:
  Δt ₁ = t _o1 — t _i1 . См. Также рисунок 6.1.7.
  Температура на входе рабочей среды определяется условиями обработки. Температуру исходящей рабочей среды можно рассчитать путем расчета энергетического баланса.
  Для современного теплообменника потерями энергии в окружающий воздух можно пренебречь, так как они очень малы. Таким образом, тепловая энергия, выделяемая горячей жидкостью, равна тепловой энергии, поглощаемой холодной жидкостью, т.е.е. энергетический баланс. Его можно выразить следующей формулой:

  Формула 6.1.2

  Пример: 20,000 л / ч сырное молоко (V ₁ ) необходимо нагреть с 4 ° C до 34 ° C с помощью 30,000 л / ч горячей воды (V ₂ ) при 50 ° C. Плотность (ρ) и удельная теплоемкость (c _p ) для молока составляют около 1020 кг / м ³ и 3,95 кДж / кг, K, а для воды 990 (при 50 ° C) и 4,18 кДж / кг.
  Затем можно рассчитать изменение температуры горячей воды:
  20.000 x 1020 x 3,95 x (34-4) = 30,000 x 990 x 4,18 x Δt ₂
  Δt ₂ = 19,5 ° C. Температура горячей воды снизится на 19,5 с 50 до 30,5 ° C.

  Средняя логарифмическая разница температур (LMTD)

  Уже упоминалось, что для передачи тепла между двумя средами должна быть разница в температуре. Разница температур — это движущая сила. Чем больше разница температур, тем больше тепла передается и тем меньше требуется теплообменник.Однако для чувствительных продуктов существуют пределы использования большой разницы.
  Разница температур может изменяться в теплообменнике. Для расчета используется среднее значение LTMD. В приведенной выше общей формуле он называется Δtm. Его можно рассчитать по следующей формуле, используя номиналы на рисунке 6.1.8.

  Формула 6.1.3

  В примере с нагревателем сырного молока средняя логарифмическая разница температур Δtm может быть рассчитана как 20.8 ° С.
  Важным фактором при определении среднего перепада температур является направление потока в теплообменнике. Есть два основных варианта: противоток или параллельный поток.

  Противоток

  Разницу температур между двумя жидкостями лучше всего использовать, если они протекают в противоположных направлениях через теплообменник (рисунок 6.1.8). Затем холодный продукт встречает холодный теплоноситель на входе и все более теплый продукт по мере прохождения через теплообменник.Во время прохождения продукт постепенно нагревается, так что температура всегда лишь на несколько градусов ниже температуры теплоносителя в соответствующей точке. Такой тип устройства называется противоточным.

  Рис. 6.1.8

  Температурные профили теплопередачи в теплообменнике с противотоком.

  Параллельный поток

  При противоположном расположении, параллельный поток (рисунок 6.1.9), обе жидкости входят в теплообменник с одного конца и текут в одном направлении.В параллельном потоке невозможно нагреть продукт до температуры выше, чем та, которая была бы получена, если бы продукт и теплоноситель были смешаны. Это ограничение не действует в противотоке; продукт можно нагревать с точностью до двух или трех градусов от температуры теплоносителя на входе.

  Рис. 6.1.9

  Температурные профили теплопередачи в теплообменнике с параллельным потоком.

  Общий коэффициент теплопередачи

  Этот коэффициент, k, является мерой того, насколько эффективна теплопередача.Он показывает, сколько тепла проходит через 1 м2 перегородки на 1 ° C разницы температур. Тот же коэффициент используется для расчета изоляции зданий, хотя в этом случае цель состоит в том, чтобы сделать k как можно меньшим, тогда как в теплообменнике оно должно быть как можно большим.

  Этот коэффициент зависит от:

  • Допустимые перепады давления для жидкостей
  • Вязкости жидкостей
  • Форма и толщина перегородки
  • Материал перегородки
  • Наличие загрязняющих веществ

  Допустимое давление капли

  Чтобы увеличить значение k и улучшить теплопередачу, можно уменьшить размер канала, по которому течет продукт.Это сокращает расстояние, на которое тепло должно передаваться от перегородки к центру канала.

  В то же время, однако, площадь поперечного сечения потока уменьшается. Это дает два результата:
  a Скорость потока через канал увеличивается, что, в свою очередь, означает
  b Поток становится более турбулентным.

  Чем больше перепад давления продукта и рабочей среды, тем больше тепла передается и тем меньше требуется теплообменник.
  Продукты, чувствительные к механическому перемешиванию (например, молочный жир), могут, однако, быть повреждены в результате агрессивного обращения. Падение давления в теплообменнике также увеличивается, поэтому давление продукта перед теплообменником должно быть увеличено, чтобы заставить продукт проходить через более узкие каналы. В этом случае может потребоваться установка подкачивающего насоса. В некоторых странах установка подкачивающего насоса предусмотрена законодательными требованиями, в основном для обеспечения более высокого давления на стороне продукта и, таким образом, для предотвращения утечки непастеризованного продукта в пастеризованный продукт.

  Вязкость

  Вязкости продукта и рабочей среды важны для определения размеров теплообменника. Жидкость с высокой вязкостью развивает меньшую турбулентность при протекании через теплообменник по сравнению с продуктом с более низкой вязкостью. Это означает, что необходим теплообменник большего размера, если все остальное остается неизменным. Например, для сливок требуется теплообменник большего размера, чем для молока, если производительность и температурные программы идентичны.
  Особое внимание следует уделять продуктам с неньютоновскими характеристиками текучести. Для этих продуктов кажущаяся вязкость зависит не только от температуры, но и от скорости сдвига. Продукт, который кажется довольно густым в резервуаре, может течь намного легче, когда его перекачивают по трубам или теплообменнику. Характеристики текучести таких продуктов необходимо измерять специальными приборами, чтобы можно было произвести правильные расчеты. (См. Также главу 3, Реология.)

  Форма и толщина перегородки

  Перегородка часто гофрирована для создания более турбулентного потока, что приводит к лучшей теплопередаче.На рисунке 6.1.10 показаны три различных дизайна.
  Пластины с разным рифлением согласно A ) и B ) на рисунке, имеют разные термические свойства и перепады давления. С этими двумя типами пластин можно сформировать три разных канала. Это дает возможность оптимизировать соотношение теплопередачи / перепада давления для определенного режима работы.
  Рисунок C) показывает пластину с совершенно другим гофром. Количество точек контакта уменьшено, чтобы можно было пропускать жидкости с частицами или волокнами ограниченного размера.
  Толщина тоже важна. Чем тоньше перегородка, тем лучше теплоотдача. Но при этом необходимо учитывать необходимость того, чтобы перегородка была достаточно прочной, чтобы выдерживать давление жидкостей. Современные пластины разработаны с точками контакта металла с металлом, что обеспечивает хорошее сопротивление давлению даже для тонких пластин.
  Теплопередачу в трубчатых теплообменниках можно улучшить путем гофрирования внутренних трубок (рисунок 6.1.11). Однако это также приведет к более высокому падению давления.Гладкие или гофрированные трубы выбираются для оптимизации соотношения теплопередачи / перепада давления.

  Рис. 6.1.10

  Форма перегородки в пластинчатом теплообменнике может различаться в зависимости от обрабатываемого продукта и требований к тепловому КПД.

  Рис. 6.1.11

  Турбулентность будет намного более интенсивной, если поверхность рифленая, чем гладкая.

  Материал перегородки

  Для пищевой промышленности обычным материалом является нержавеющая сталь, которая имеет довольно хорошие характеристики теплопередачи.

  Наличие загрязняющих веществ

  Большинство молочных продуктов чувствительны к нагреванию, поэтому при нагревании необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать изменений в продуктах. Белки сворачиваются и покрываются коркой внутри горячей кастрюли, если ее использовать для нагрева молока. То же самое происходит в теплообменниках, если поверхность теплопередачи слишком горячая.
  Следовательно, разница температур между теплоносителем и продуктом должна быть как можно меньше, обычно на 2–3 ° C выше температуры пастеризации.Если поверхность слишком горячая по отношению к продукту, существует риск того, что белки в молоке будут коагулироваться и оседать тонким слоем на перегородках. В этом случае тепло должно также передаваться через этот слой, что приведет к падению значения общего коэффициента теплопередачи k.
  Разница температур между теплоносителем и продуктом больше не будет достаточной для передачи того же количества тепла, что и раньше, и температура на выходе продукта упадет.Это можно компенсировать увеличением температуры теплоносителя, но при этом также повышается температура поверхности теплопередачи, так что на поверхности коагулируется больше белка, толщина корки увеличивается, а значение k еще больше падает.
  На значение k также влияет увеличение или уменьшение расхода через теплообменник, так как это влияет на характеристики потока. Увеличение скорости потока делает поток более турбулентным и увеличивает значение k.Дросселирование потока делает его менее турбулентным и снижает значение k. Поэтому обычно желательно избегать изменений скорости потока через теплообменник, но по экономическим причинам может быть необходимо принять некоторые изменения в определенных типах производства.
  Пример: В ранее рассмотренном случае нагревателя сырного молока коэффициент теплопередачи можно принять равным примерно 5000 Вт / м2, K, если используется пластинчатый теплообменник из тонкой нержавеющей стали и пластины не сильно загрязнены. .

  Другими факторами формулы, показанными ранее в разделе «РАЗМЕРНЫЕ ДАННЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКА», являются:
  Расход, л / ч = 20,000
  Плотность, кг / м ³ = 1 020
  Удельная теплоемкость, кДж / кг , K = 3.95
  Изменение температуры, ° C = 30
  Температурный перепад, ° C = 20.8
  Коэффициент теплопередачи, Вт / м ² , K = 5,000

  Необходимую поверхность теплопередачи можно рассчитать как:

  Формула 6.1.4

  Это значение следует рассматривать как теоретическое. На практике также необходимо учитывать чувствительный характер продукта и требования процесса. Два таких фактора, не включенных в формулу, — это требования к чистоте и времени работы.

  Требования к чистоте

  Теплообменник на молочном заводе необходимо очищать в конце производственного цикла.Это достигается за счет циркуляции моющих средств так же, как и молока. Процесс очистки описан отдельно в главе 21.
  Для достижения эффективной очистки теплообменник должен быть спроектирован не только так, чтобы соответствовать требуемой температурной программе, но и с учетом очистки.
  Если некоторые проходы в теплообменнике очень широкие, т. Е. Имеют несколько параллельных каналов, турбулентности во время очистки может быть недостаточно для эффективного удаления загрязняющих отложений. С другой стороны, если некоторые проходы очень узкие, т.е.е. несколько параллельных каналов, турбулентность может быть настолько высокой, что перепад давления будет очень большим. Такой большой перепад давления может снизить скорость потока очищающего раствора, тем самым снизив его эффективность. Таким образом, теплообменник должен быть спроектирован так, чтобы обеспечить эффективную очистку.
  Когда текут жидкости с частицами или волокнами, во время очистки обычно требуется обратная промывка. Обратная промывка означает, что на некоторых этапах программы очистки поток меняется на противоположный.

  Требуемое время работы

  Некоторое загрязнение всегда происходит, когда молочные продукты нагреваются до температуры выше 65 ° C.Это означает, что всегда будет ограниченное время работы перед остановкой пастеризатора для очистки.
  Продолжительность рабочего времени трудно, если не сказать невозможно, предсказать, так как она определяется количеством образовавшегося загрязнения.

  Скорость образования отложений зависит от многих факторов, таких как:

  • Разница температур между продуктом и теплоносителем
  • Качество молока
  • Содержание воздуха в продукте
  • Условия давления в секции нагрева

  Это особенно важно важно, чтобы содержание воздуха было как можно ниже.Избыточный воздух в продукте значительно усугубит засорение. При определенных условиях время работы также может быть ограничено ростом микроорганизмов в нижней части регенеративной секции пластинчатого теплообменника. Однако это случается редко; когда это происходит, это обычно связано с предварительной обработкой молока.
  Все это вместе делает важным обеспечение регулярной очистки при составлении производственных планов пастеризаторов.

  Регенерация

  Метод использования тепла горячей жидкости, такой как пастеризованное молоко, для предварительного нагрева холодного поступающего молока называется регенерацией.Холодное молоко также служит для охлаждения горячего, что позволяет экономить воду и энергию. Эффективность регенерации до 95% может быть достигнута на эффективных современных установках пастеризации.
  В качестве примера можно взять простейший рабочий профиль — термическую обработку сырого молока. По формуле:

  Формула 6.1.5

  где Значения в этом примере
  R = эффективность регенерации,%
  t _r = температура молока после регенерации, ° C 68
  t _i = температура сырого входящего молока, ° C 4
  t _p = пастеризация температура, ° С 72

  выдержка

  Инжир.6.1.12

  Спиральная удерживающая трубка в кожухе для длительного хранения.

  Для правильной термообработки необходимо, чтобы молоко выдерживалось в течение определенного времени при температуре пастеризации. Это делается во внешней камере содержания.
  Ячейка для содержания обычно состоит из трубы, расположенной по спирали или зигзагообразной схеме, и часто закрывается металлическим кожухом, чтобы предотвратить ожоги людей, если они прикоснутся к ней. Кожух также снизит тепловые потери в окружающий воздух. Длина трубы и расход рассчитываются таким образом, чтобы время в ячейке выдержки было равно требуемому времени выдержки.
  Точный контроль расхода очень важен, поскольку удерживающее оборудование рассчитано на заданное время выдержки при заданном расходе. Время выдержки изменяется обратно пропорционально скорости потока в ячейке выдержки.
  Удерживающие секции, встроенные в пластинчатый теплообменник, использовались раньше, но в настоящее время используются почти исключительно внешние удерживающие ячейки.

  Расчет времени выдержки

  Рис. 6.1.13

  Зигзагообразная удерживающая трубка.

  Подходящую длину трубы для требуемого времени выдержки можно рассчитать, если известны часовая производительность и внутренний диаметр удерживающей трубы.Поскольку профиль скорости в удерживающей трубке неоднороден, некоторые молекулы молока будут двигаться быстрее, чем в среднем. Чтобы обеспечить достаточную пастеризацию даже самой быстрой молекулы, необходимо использовать коэффициент эффективности. Этот коэффициент зависит от конструкции удерживающей трубы, но часто находится в диапазоне 0,8–0,9, если поток является турбулентным. Для более вязких жидкостей поток может быть ламинарным, и тогда коэффициент полезного действия будет ниже.

  Данные, необходимые для расчета:
  Q = расход при пастеризации, л / ч
  HT = время выдержки в секундах
  L = длина удерживающей трубки в дм, соответствующая Q и HT
  D = внутренний диаметр удерживающей трубки в дм , должно быть известно или адаптировано к другому трубопроводу
  V = объем молока в л или дм3, соответствующий Q и HT
  η = коэффициент полезного действия

  Пример: Время выдержки (HT) 15 секунд требуется при пастеризации установка производительностью (Q) 10 000 л / ч.Внутренний диаметр (D) трубы, которая будет использоваться, составляет 48,5 мм = 0,485 дм. Рассчитайте длину (L) удерживающей трубы с коэффициентом полезного действия 0,85.

  Формула 6.1.6

  Длина удерживающей трубы должна быть около 26,5 м.

  Различные типы теплообменников

  Самым распространенным типом оборудования в конце 19 века был нагреватель, один из типов которого показан на рис. 6.1.14. Несмотря на свои многочисленные недостатки, эта модель теплообменника все еще использовалась на некоторых молочных предприятиях даже в 1950-х годах.
  В 1878 году немцу Альберту Дракке был выдан патент на устройство, в котором одна жидкость могла охлаждать другую за счет того, что каждая жидкость текла слоем на противоположных сторонах ряда пластин. Неизвестно, исчезли ли когда-либо такие патенты, один из которых касается теплообменника, показанного на рис. 6.1.15. Однако в начале 1920-х годов старые немецкие идеи были переоценены, и был запущен регенеративный теплообменник, основанный на этих концепциях. С тех пор пластинчатые теплообменники стали играть доминирующую роль в нагревании и охлаждении в молочной промышленности.

  В настоящее время наиболее широко используются следующие три типа теплообменников:

  • Пластинчатый теплообменник
  • Трубчатый теплообменник
  • Скребковый теплообменник
  Рис. 6.1.14

  Этот тип мгновенного пастеризатора с турбинной мешалкой производился и продавался компанией AB Separator в период с 1896 по 1931 год.

  Рис. 6.1.15

  Пластинчатый теплообменник был запатентован в 1890 году немецкими изобретателями Лангеном и Хундхаузеном.

  Пластинчатые теплообменники

  Большая часть термической обработки молочных продуктов осуществляется в пластинчатых теплообменниках. Пластинчатый теплообменник (часто сокращенно ПТО) состоит из пакета пластин из нержавеющей стали, зажатых в раме.
  Рама может содержать несколько отдельных пакетов пластин — секций, на которых происходят различные стадии обработки, такие как предварительный нагрев, окончательный нагрев и охлаждение. Нагревательной средой является горячая вода, а охлаждающей средой — холодная вода, ледяная вода или пропилгликоль, в зависимости от требуемой температуры продукта на выходе.
  Пластины имеют гофрированный рисунок, предназначенный для оптимальной теплопередачи. Пакет пластин сжат в раме. Точки опоры на гофрах удерживают пластины друг от друга, так что между ними образуются тонкие каналы.
  Жидкости входят в каналы и выходят из них через отверстия в углах пластин. Различные формы открытых и глухих отверстий направляют жидкость из одного канала в другой.
  Прокладки по краям пластин и вокруг отверстий образуют границы каналов и предотвращают внешнюю утечку и внутреннее перемешивание.

  Рис. 6.1.16

  Принципы потока и теплопередачи в пластинчатом теплообменнике.

  Схемы потока

  Продукт вводится через угловое отверстие в первый канал секции и течет по каналу вертикально. Он выходит с другого конца через отдельный угловой проход с уплотнением. Расположение угловых каналов таково, что продукт течет через чередующиеся каналы в пакете пластин.
  Рабочая (нагревающая или охлаждающая) среда вводится на другом конце секции и таким же образом проходит через чередующиеся пластинчатые каналы.Следовательно, каждый канал продукта имеет каналы среды обслуживания с обеих сторон.
  Для эффективного теплообмена каналы между пластинами должны быть как можно более узкими; но как скорость потока, так и перепад давления будут высокими, если через эти узкие каналы должен проходить большой объем продукта. Ни один из этих эффектов нежелателен, и для их устранения прохождение продукта через теплообменник может быть разделено на несколько параллельных потоков.
  На рисунке 6.1.17 синий поток продукта разделен на два параллельных потока, которые четыре раза меняют направление в секции.Каналы для красного теплоносителя разделены на четыре параллельных потока, которые дважды меняют направление.
  Эта комбинация записывается как 4 x 2/2 x 4, то есть количество проходов, количество параллельных потоков для синего продукта, количество проходов и количество параллельных потоков для красной служебной среды. Это называется группировкой пластин.

  Рис. 6.1.17

  Система параллельных потоков как для продуктов, так и для каналов теплоносителя / теплоносителя. В этом примере комбинация записывается как 4 x 2/2 x 4.

  Трубчатые теплообменники

  Трубчатые теплообменники (THE) в некоторых случаях используются для пастеризации и высокотемпературной обработки молочных продуктов. Трубчатый теплообменник (рисунок 6.1.18), в отличие от пластинчатых теплообменников, не имеет точек контакта в канале продукта и, таким образом, может обрабатывать продукты с частицами до определенного размера. Максимальный размер частиц зависит от диаметра трубки. Трубчатый теплообменник также может работать дольше между чистками, чем пластинчатый теплообменник при UHT-обработке.
  По сравнению с пластинчатым теплообменником требуется более высокая скорость потока для создания эффективной теплопередачи в трубчатом теплообменнике.
  Трубчатые теплообменники выпускаются двух принципиально разных типов; мульти / моно трубка и концентрическая трубка.

  Рис. 6.1.18

  Трубчатые трубки теплообменника собраны в компактный блок.

  Многотрубный / монотрубный

  Многотрубный трубчатый теплообменник работает по классическому кожухотрубному принципу, при котором продукт протекает через группу параллельных трубок, а рабочая среда между трубками и вокруг них.Турбулентность для эффективной передачи тепла создается спиральными гофрами на трубках и кожухе.
  Поверхность теплопередачи состоит из пучка прямых гофрированных или гладких труб (1), приваренных к трубным пластинам с обоих концов (рисунки 6.1.19 и 6.1.20). Трубные пластины, в свою очередь, уплотнены относительно внешней оболочки двойным уплотнительным кольцом (2) (плавающая конструкция). Такая конструкция позволяет извлекать трубы с продуктом из корпуса путем отвинчивания концевых болтов. Это позволяет разобрать устройство для проверки.
  Плавающая конструкция поглощает тепловое расширение, а пучки труб с продуктом в кожухе можно менять, что позволяет использовать различные комбинации для различных применений.
  Рекуперация тепла от продукта к продукту может быть использована в многотрубке специальной конструкции. Это связано с тем, что трубные вкладыши могут быть сняты для проверки также со стороны кожуха.
  Однотрубная версия — это версия только с одной внутренней трубкой, которая пропускает частицы диаметром до 50 мм.
  Мульти / моно трубки хорошо подходят для процессов, работающих при очень высоких давлениях и высоких температурах.

  Рис. 6.1.19

  Конец многотрубного трубчатого теплообменника.

  1. Трубы с продуктом, окруженные охлаждающей средой
  2. Двойное кольцевое уплотнение
  Рис. 6.1.20

  Конец однотрубного трубчатого теплообменника.

  Рис. 6.1.21

  Конец концентрического трубчатого теплообменника.

  Концентрическая трубка

  Поверхность теплообменника концентрического трубчатого теплообменника, показанного на рисунке 6.1.21, состоит из концентрически расположенных прямых труб разного диаметра. Такая конструкция обеспечивает эффективное нагревание или охлаждение, поскольку с обеих сторон кольцевого канала для продукта находятся теплоносители / охлаждающие среды. Канал для продукта доступен с разной глубиной, чтобы соответствовать требованиям для продуктов с частицами.
  Концентрическая трубка сконструирована с плавающими трубками для поглощения теплового расширения и обеспечения возможности проверки каналов как продукта, так и среды.
  Концентрическая труба особенно хорошо подходит для высоковязких жидкостей с сильным неньютоновским течением.

  Скребковый теплообменник

  Скребковый теплообменник (рисунок 6.1.22) предназначен для нагрева и охлаждения вязких, липких и комковатых продуктов, а также для кристаллизации продуктов. Также можно обрабатывать все продукты, которые можно перекачивать.
  Скребковый теплообменник состоит из цилиндра (1), через который продукт перекачивается противотоком к рабочей среде в окружающей рубашке. Сменные роторы (2) различного диаметра и различные конфигурации штифта / лопасти (3) позволяют адаптироваться к различным приложениям.Роторы меньшего диаметра позволяют более крупным частицам проходить через цилиндр, в то время как роторы большего диаметра приводят к более короткому времени пребывания и улучшенным тепловым характеристикам.
  Продукт входит в вертикальный цилиндр через нижнее отверстие и непрерывно течет вверх через цилиндр. При запуске процесса весь воздух полностью продувается перед продуктом, что позволяет полностью и равномерно покрыть поверхность нагрева или охлаждения продуктом.
  Вращающиеся лезвия постоянно удаляют продукт со стенки цилиндра (Рисунок 6.1.23), чтобы обеспечить равномерную теплопередачу к изделию. Кроме того, на поверхности не должно быть отложений.
  Продукт выходит из цилиндра через верхнее отверстие. Поток продукта и скорость ротора меняются в зависимости от свойств продукта, протекающего через цилиндр.
  При остановке, благодаря вертикальной конструкции, продукт может вытесняться водой с минимальным перемешиванием, что помогает обеспечить восстановление продукта в конце каждого цикла. После этого полный дренаж облегчает CIP и замену продукта.
  Как упоминалось выше, ротор и лопасти взаимозаменяемы, операция, которая возможна благодаря автоматическому гидравлическому подъемнику, который облегчает подъем и опускание узла ротор / лопасти (рисунок 6.1.24).
  Типичными продуктами, обрабатываемыми в скребковом теплообменнике, являются джемы, сладости, заправки, шоколад и арахисовое масло. Он также используется для жиров и масел для кристаллизации маргарина, шортенингов и т. Д.
  Скребковый теплообменник также доступен в версиях, предназначенных для асептической обработки.
  Два или более теплообменника вертикального типа со скребковыми поверхностями могут быть соединены последовательно или параллельно для получения большей поверхности теплопередачи в зависимости от требуемой производственной мощности.

  Рис. 6.1.22

  Скребковый теплообменник вертикального типа.

  Рис. 6.1.23

  Сечение скребкового теплообменника.

  1. Цилиндр
  2. Ротор
  3. Лезвие
  Рис. 6.1.24

  Снятие лопастей с ротора в опущенном положении.

  Спиральный теплообменник

  В спиральном трубчатом теплообменнике продукт протекает через змеевидную трубу, а среда течет вокруг трубы для нагрева или охлаждения продукта. Уникальной особенностью спиральной конструкции является то, что она создает вторичный поток с высокой скоростью, что значительно увеличивает эффективность теплопередачи. Этот вторичный паттерн течения называется эффектом Дина.
  При ламинарном потоке в прямых трубках передача тепла жидкости поддерживается исключительно за счет теплопроводности жидкости.Поэтому эффективность теплопередачи ниже, чем в турбулентном потоке, где происходит интенсивное перемешивание, что значительно увеличивает теплопередачу.
  В спиральных трубках вихри Дина будут действовать как «внутренние смесители», транспортирующие жидкие элементы от стенки трубки в центр трубки и наоборот. Процедура смешивания значительно сократит время, необходимое для достижения желаемой теплопередачи, тем самым уменьшив длину и необходимую поверхность нагрева теплообменника. Кроме того, время пребывания и, следовательно, объемы продукта будут уменьшены.
  Величина улучшения теплопередачи зависит от конструкции змеевика, скорости жидкости и физических свойств жидкости. Улучшение основано на числе Дина, которое должно превышать 100, чтобы дать какой-либо значительный эффект. Высокие числа Дина обычно достигаются за счет высоких скоростей продукта в сочетании с плотно скрученной трубой.
  Спиральный однотрубный агрегат длиной от 30 до 100 метров имеет только одно входное и одно выходное соединение. Это обеспечивает бережную механическую обработку и гарантирует отличную целостность частиц диаметром до 25 мм.Устройство разработано для обеспечения высокой гигиены и простоты обслуживания с плавающими концами через верхний и нижний фланцы.
  Спиральная труба для продукта помещается в вертикальную камеру, в которой протекает нагревающая или охлаждающая среда. Нижнее и верхнее соединения трубок с продуктом герметизированы уплотнительными кольцами для создания системы, которая позволяет перемещаться между трубой с продуктом и оболочкой среды. Эта конструкция поглощает эффекты теплового расширения и предотвращает растрескивание трубки. Агрегат снабжен изоляцией для минимизации тепловых потерь и обеспечения безопасности оператора.Размер теплообменника выбирается для каждого конкретного применения — количество блоков зависит от желаемой мощности и требуемой площади теплопередачи.
  Типичными продуктами, обрабатываемыми в спиральном теплообменнике, являются десертные пудинги на молочной основе, томатная паста, кетчуп, фруктовые пюре и продукты с частицами.

  Рис. 6.1.25

  Змеевик

  Рис. 6.1.26

  Схема течения вихрей Дина

  Число Дина — De — является функцией нормального числа Рейнольдса и квадратного корня из отношения диаметра трубы к диаметру рулона:

  De = Re√ (D _t / D _c )

  D _t диаметр трубы м
  D _c диаметр змеевика м
  Рейнольдс No.= D _t vρ / μ —
  v скорость жидкости м / с
  ρ плотность жидкости кг / м ³
  μ динамическая вязкость жидкости Па

  .

  No related posts.

  Добавить комментарий Отменить ответ

  Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

  Комментарий *

  Имя *

  Email *

  Сайт