background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

1/13

 

 

Bezprzeponowa wymiana ciepła

 

Opracowanie: L. Zander 

 

Przenoszenie ciepła w operacjach cieplnych może odbywać się w przeponowych 

wymiennikach ciepła lub przy bezpośrednim kontakcie czynników (tzn. bezprzeponowo). 

W tym ostatnim przypadku procesy cieplne prowadzą jednocześnie do zmiany 

koncentracji składników suchej substancji produktu. Do najczęściej spotykanych operacji 

prowadzonych bezprzeponowo należy podgrzewanie czynników ciekłych bezpośrednio 

parą wodną. Nasycona para wodna w kontakcie z chłodniejszym produktem ulega 

skropleniu, co jednocześnie powoduje jego lekkie rozcieńczenie. Kontakt produktu może 

mieć miejsce w wyniku wtrysku pary do strumienia mleka w tzw. iniektorze 

zainstalowanym w rurociągu (rys. 1a) lub w komorze infuzyjnej (rys. 1 b), wypełnionej 

parą, do której wtryskuje się mleko. W obu przypadkach para powinna być wytworzona 

z wody pitnej, a instalacja parowa musi odpowiadać wszystkim wymogom higienicznym 

stawianym instalacjom procesowym w przemyśle spożywczym.  

Bardzo często po bezpośrednim podgrzaniu czynnika parą stosuje się operację 

oziębiania próżniowego (rys. 1c). Proces ten polega na wprowadzeniu podgrzanej cieczy 

do komory próżniowej, w której panuje ciśnienie odpowiadające temperaturze nasycenia 

pary wodnej równej żądanej końcowej temperaturze ochładzania produktu, niższej od 

jego temperatury początkowej. W 

tych warunkach ciecz wrze kosztem ciepła 

przegrzania, co prowadzi do odparowania części wody z 

produktu. Parametry 

następujących po sobie operacji podgrzewania bezpośredniego i oziębiania próżniowego 

powinny być tak dobrane, aby zachować niezmienną zawartość suchej substancji 

w produkcie.  Oziębianie próżniowe stosuje się także w instalacjach wyparnych, gdy 

pożądane jest błyskawiczne schładzanie koncentratu. 

 

 

 

 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

2/13

 

 

Cel ćwiczenia: 

1.  poznanie istoty bezprzeponowej wymiany ciepła poprzez samodzielne 

przeprowadzenie procesu podgrzewania zawartości zbiornika parą wodną 

doprowadzaną metodą bełkotkowania; 

2.  sporządzenie bilansu cielnego układu i określenie udziału poszczególnych 

składowych bilansu w ogólnym obciążeniu cieplnym. 

 

Para

Para

Produkt

rozcieńczony

Produkt

Opary

Produkt

a

b

c

Produkt

rozcieńczony

Produkt

zatężony

Produkt

G ,  i

n

n

G ,  i

n

n

G

t

x

m

1

1

G +  G

t

x

m n

2

2

G ,t ,  x

m   1

1

G +  G

t

x

m n

2

2

W, i

w

G ,t ,  x

m   1

1

G -  W

t

x

2

2

1

2

4

3

 

Rys. 1. Przykłady bezprzeponowej wymiany ciepła w przetwórstwie spożywczym - 

iniektor parowy (a), komora infuzyjna (b), oziębiacz próżniowy (c) 

 

Stanowisko doświadczalne 

Główne zespoły stanowiska doświadczalnego (rys. 2.) stanowią: elektryczna 

wytwornica pary (1) przezroczysty zbiornik (2), wyposażony w bełkotkę (3) i miarkę 

milimetrową (4) służącą do określenia wysokości słupa cieczy w zbiorniku. Do kontroli 

temperatury cieczy w zbiorniku służy termometr elektroniczny (5). Pomiędzy 

wytwornicą pary a bełkotką umieszczono zespół  łapacza kropel (6), zaopatrzony 

w termometr (7) służący do pomiaru temperatury pary t

n

. Rolą  łapacza kropel jest 

oddzielenie wody z pary mokrej i zapewnienie zasilania bełkotki parą nasyconą. Ponadto 

w układzie zainstalowano manometr PI do kontroli ciśnienia pary w układzie i skraplacz 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

3/13

 

 

nadmiaru pary (4). Para odprowadzana do skraplacza nie jest uwzględniania w bilansie 

cieplnym zbiornika (2). Ewentualna regulację odpływu pary do skraplacza umożliwia 

zacisk (9) umieszczony na przewodzie elastycznym łączącym wytwornice pary ze 

skraplaczem.. 

1

2

3

5

6

7

t

n

t

c

8

4

Woda

Skropliny

9

 

Rys. 2. Schemat stanowiska doświadczalnego: 1 – wytwornica pary, 2 – zbiornik 

procesowy, 3 – bełkotka, 4 – skraplacz, 5 –termometr, 6 – łapacz kropel (odwadniacz),  

7 – termometr, 8 – złącze elastyczne, 9 – zacisk  

 

Obsługa wytwornicy sprowadza się do włączania i wyłączania zasilania grzałki 

elektrycznej oraz nadzorowania ilości wody wewnątrz wytwornicy. Zbyt niski poziom 

wody jest sygnalizowany zapaleniem się czerwonej lampki i powoduje samoczynne 

wyłączenie się wytwornicy. 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

4/13

 

 

 

Środki ostrożności 

1. 

Zbiornik wytwornicy pary wolno napełniać tylko wodą destylowaną lub 

demineralizowaną; 

3. Nie  wolno  opróżniać zbiornika z badanym roztworem przez przechylanie 

i wylewanie cieczy do zlewu. Do opróżniania zbiornika służy zestaw próżniowy, 

przedstawiony na rys. 3. (dotyczy wersji stanowiska z wysokim zbiornikiem) 

 

 

Rys. 3. Zestaw próżniowy do opróżniania zbiornika procesowego: 1 – zbiornik 

procesowy; 2 – sonda (przewód elastyczny); 3 – zbiornik magazynowy roztworu; 4 – 

pompka wodna (wykorzystywany w wersji stanowiska z wysokim grzejnikiem) 

 

Opis doświadczenia 

Para wodna otrzymywana z wytwornicy (1) jest za pomocą bełkotki (3) doprowadzona 

do kontaktu z cieczą znajdującą się w zbiorniku (2). Temperatura cieczy jest niższa od 

temperatury skraplania pary t

n

, zatem następuje skroplenie pary. Powstałe skropliny 

mieszają się z cieczą w zbiorniku, skutkiem czego z upływem czasu wzrasta ilość cieczy 

1

t

c

2

3

4

woda

z

sieci

odpływ

do

ścieków

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

5/13

 

 

w zbiorniku i podnosi się jej temperatura, wskazywana przez termometr (5). Skutkiem 

mieszania się skroplin z roztworem stężenie roztworu ulega zmniejszeniu. 

 

Wykonanie doświadczenia 

1.  Wlać do wytwornicy zadaną ilość wody (np. 500 cm

3

); 

2.  Wytarować zbiornik; 

3.  Wlać do zbiornika zadaną ilość roztworu cukru (G

0

); pobrać próbkę roztworu 

i refraktometrycznie oznaczyć jego stężenie (x

0

); 

4.  Zmierzyć temperaturę początkową roztworu w zbiorniku (t

0

); 

5.  Podłączyć elastyczny odcinek przewodu parowego do króćca bełkotki; 

6.  Włączyć zasilanie grzałki wytwornicy (1); 

7.  Następnie należy obserwować dopływ pary do odwadniacza (6) i wskazania 

termometru (7); 

8.  Gdy temperatura pary w odwadniaczu (6) zbliży się do 100 °C należy rozpocząć 

eksperyment odnotowując godzinę startu. Od tego momentu należy co 2 minuty 

dokonywać odczytów temperatury cieczy t

c

  w zbiorniku. Jednocześnie trzeba 

obserwować zachowanie się pęcherzyków pary wypływających przez otwory bełkotki 

i ewentualnie zanotować spostrzeżenia. 

9.  Doświadczenie prowadzi się do momentu samoczynnego wyłączenia wytwornicy. 

W każdym przypadku, gdy temperatura cieczy w zbiorniku osiągnie 90°C należy 

zakończyć eksperyment.  

10. Wyłączyć zasilanie wytwornicy; 

11. Odłączyć zbiornik procesowy od przewodu parowego; 

12. Zważyć zbiornik z zawartością, obliczyć końcową masę cieczy w zbiorniku (G

k

)

14. Pobrać próbkę roztworu po procesie i refraktometrycznie oznaczyć stężenie cukru 

w roztworze (x

k

). 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

6/13

 

 

 

Opracowanie wyników doświadczenia 

W oparciu o zebrane dane i ogólny schemat badanego układu (rys. 3) sporządzić bilans 

ciepła w przeprowadzonym procesie. 

 

Rys. 4. Schemat do sporządzenia bilansu ciepła 

 

−  Ciepło wprowadzone do układu wraz z roztworem surowym: 

S

S

S

we

t

c

G

q

=

1

 

(1)

−  ciepło wprowadzone do układu wraz z parą  

n

n

we

i

G

q

=

2

 [kJ] 

(2)

−  ciepło wyprowadzone z układu po procesie 

K

K

K

wy

t

c

G

q

=

 [kJ] 

(3)

−  ciepło strat 

str

q

 [kJ] 

(4)

 

Ogólny bilans ciepła w układzie wyraża równanie: 

G ·c ·t

S

S 0

Roztwór

surowy

Q

str

Roztwór

podgrzany

G ·c ·t

S

S 0

G ·c ·t

K

K K

Para

G ·i

n n

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

7/13

 

 

str

K

K

K

n

n

S

S

S

q

t

c

G

i

G

t

c

G

+

=

+

   [kJ] 

(5)

 

Ciepło zawarte w podgrzanym, rozcieńczonym roztworze końcowym (q

wy

) można 

traktować jako sumę ciepła zawartego w roztworze surowym podgrzanym do 

temperatury t

k

 

K

S

S

wy

t

c

G

q

=

1

    [kJ] 

(6)

i ciepła zawartego w wodzie powstałej ze skroplenia pary w ilości G

n

 i doprowadzonej do 

temperatury t

k

 

K

w

n

wy

t

c

G

q

=

2

   [kJ] 

(7)

 

Otrzymując: 

K

w

n

K

S

S

K

K

K

t

c

G

t

c

G

t

c

G

+

=

    [kJ] 

(8)

Podstawiając prawą stronę równania (8) do równania (5) i uporządkowaniu otrzymuje 

się: 

(

)

(

)

str

S

K

S

S

K

w

n

n

q

t

t

c

G

t

c

i

G

+

=

    [kJ] 

(9)

Lewa strona równania (9) wyraża obciążenie cieplne układu, czyli ilość ciepła oddanego 

przez skraplającą się parę i skropliny powstałe w wyniku tego procesu (q

n

), przy czym 

należy tu wyróżnić ciepło oddane w wyniku przemiany fazowej (G

n

·r), zachodzącej 

w stałej temperaturze t

n

 i ciepło oddane przez przechłodzone skropliny [G

n

·c

w

·(t

n

-t

K

)]. 

Prawa strona równania (9) przedstawia ilość ciepła pobranego przez podgrzany roztwór 

surowy i uwzględnia straty ciepła do otoczenia (q

str

). 

Należy wykonać obliczenia wszystkich składowych bilansu ciepła dla każdego 

wariantu doświadczenia oddzielnie. Wielkość strat ciepła należy podać jako ilość ciepła 

strat q

str

 w [kJ] i procentowo w stosunku do ogólnego obciążenia cieplnego q

n

.  

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

8/13

 

 

Na podstawie całkowitego obciążenia cieplnego q

n

 i czasu trwania doświadczenia 

τ

  (w sekundach) należy obliczyć strumień ciepła płynącego wraz z parą  

τ

q

Q

=

   

[W] 

(10)

Informacja o wielkości strumienia ciepła Q

n

 powinna się znaleźć w zestawieniu wyników 

z przeprowadzonego ćwiczenia. 

Ciepło właściwe wody w średniej temperaturze i entalpię pary w temperaturze 

skraplania odczytuje się z tablic. Ciepło właściwe roztworu oblicza się na podstawie 

znajomości koncentracji substancji rozpuszczonej, korzystając z zasady addytywności 

n

n

B

B

A

A

c

x

c

x

c

x

C

+

+

+

=

...

 

(11)

1

...

=

+

+

+

n

B

A

x

x

x

 

(12)

1

=

i

x

 

(13)

Materiały pomocnicze (tablice własności fizycznych wody, pary i składników żywności) 

stanowią załącznik do niniejszego przewodnika. 

Wyniki obliczeń należy zestawić w formie tabeli sporządzonej wg własnego uznania 

i sformułować wnioski ze szczególnym zwróceniem uwagi na proporcje między ilością 

ciepła oddawanego w procesie skraplania a pozostałymi elementami bilansu i zmiany 

stężenia roztworu. Do sprawozdania należy załączyć wykres zmian temperatury cieczy 

w zbiorniku  podczas  doświadczenia i schemat bilansu ciepła (jak na rys. 4.) 

z naniesionymi wartościami liczbowymi poszczególnych wielkości.  

Oznaczenia 

- ciepło właściwe, kJ/(kg·K) 

Indeksy: 

- masa, kg 

dotyczy cieczy w zbiorniku 

- entalpia, kJ/kg 

dotyczy stanu końcowego 

- ciepło, kJ 

dotyczy pary nasycowej 

- strumień ciepła [W] 

dotyczy stanu początkowego (surowca) 

- temperatura, °C 

str 

dotyczy strat 

- stężenie, ułamek mas. 

dotyczy wody 

 

 

we 

wejście 

 

 

wy 

wyjście 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

9/13

 

 

 

Tabela 1. Wzór protokołu nr 1  

Imię i nazwisko:  …………………………………. 
Grupa: ………………………………………………. 
 

 

 

 

 

Protokół nr 1 z dnia ………….. 

Ćwiczenie C09 - Bezprzeponowa wymiana ciepła 

Doświadczenie nr …………… 

 

Dane podstawowe: 

 

   

 

 

 

- masa pustego zbiornika 

G

1

 

 

kg 

- masa zbiornika z cieczą 

G

2

 

 

kg 

- masa cieczy w zbiorniku 

G

S

 

 

kg 

- masa cieczy podgrzanej 

G

K

 

 

kg 

- ilość skroplonej pary 

G

n

 

 

 

- stężenie początkowe roztworu 

x'

S

 

 

 

x

S

 

 

uł. mas. 

- stężenie końcowe roztworu 

x'

S

 

 

 

x

S

 

 

uł. mas. 

- ciepło właściwe 

c

S

 

 

 

- temperatura początkowa 

t

S

 

 

°C 

- załączenie dopływu pary  

godz.  

 

 

- czas trwania doświadczenia 

τ 

 

 

Olsztyn, 

dnia 

…………………….. 

     Prowadzący: …………………………………. 

 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

10/13

 

 

Tabela 2. Wzór protokołu nr 2 

Imię i nazwisko:  …………………………………. 
Grupa: ………………………………………………. 
 

 

 

 

 

Protokół nr 2 z dnia ………….. 

Ćwiczenie C09 - Bezprzeponowa wymiana ciepła 

Doświadczenie nr …………… 

 

Zmiany temperatur w procesie: 

Godz. 

Czas 

[min] 

t

n

 

°C 

t

K

 

°C 

   

0    

   

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

Średnia 

    

 

 

Olsztyn, 

dnia 

…………………….. 

     Prowadzący: …………………………………. 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

11/13

 

 

Tabela 3. Wybrane fizyczne właściwości wody  

 

 

 

  

Współczynnik  

Tempera- 

tura 

Gęstość 

ρ 

Ciepło 

właściwe 

przewodze- 

nia ciepła 

λ 

dyfuzyjnoś-

ci cieplnej 

α⋅10

7

 

dynamiczny 

lepkości 

η⋅10

 

kinematyczny 

lepkości 

v

⋅10

6

 

Liczba 

Prandtla 

Pr 

°C 

kg/m

3

 J/(kg 

K) W/(m

Κ) 

m

2

/s Pa,s  m2/s 

   0 

999,8 

4240 

0,550 

1,31 

1,790 

1,790 

13,7 

   5 

999,7 

4228 

0,561 

1,33 

1,530 

1,540 

11,3 

 

 

10 

999,6 4215  0,573 1,36 1,304  1,300 9,56 

 

 

15 

998,9 4211  0,585 1,39 1,128  1,100 8,15 

 

 

20 

998,2 4207  0,597 1,42 1,001  1,000 7,06 

 

 

25 

996,9 4207  0,607 1,44 0,898  0,910 6,20 

 

 

30 

995,6 4203  0,616 1,47 0,801  0,805 5,50 

 

 

35 

993,9 4203  0,624 1,50 0,716  0,720 4,85 

 

 

40 

992,2 4203  0,632 1,53 0,653  0,659 4,30 

 

 

45 

990,1 4203  0,639 1,54 0,603  0,615 3,90 

 

 

50 

988,0 4203  0,646 1,56 0,549  0,556 3,56 

 

 

55 

985,6 4203  0,652 1,58 0,505  0,515 3,25 

 

 

60 

983,2 4207  0,658 1,61 0,471  0,479 3,00 

 

 

65 

980,5 4211  0,662 1,61 0,437  0,445 2,75 

 

 

70 

977,7 4215  0,666 1,61 0,406  0,415 2,56 

 

 

75 

974,8 4215  0,669 1,61 0,378  0,385 2,35 

 

 

80 

971,8 4219  0,673 1,64 0,356  0,366 2,23 

 

 

85 

968,5 4224  0,676 1,64 0,338  0,347 2,10 

 

 

90 

965,3 4228  0,679 1,67 0,315  0,326 1,95 

 

 

95 

961,8 4228  0,680 1,67 0,304  0,310 1,85 

 

100 

958,3 4232  0,681 1,69 0,283  0,295 1,75 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

12/13

 

 

Tabela 4. Tablice parowe  

Nadciś-

nienie  

[bar]

 

Ciśnienie 

absolutne  [bar]

Temperatura 

nasycenia t [°C] 

Entalpia wody 

wrzącej  

i' [kJ/kg] 

Ciepło parowania 

r [kJ/kg] 

Entalpia pary nas. 

suchej  

i" [kJ/kg] 

Objętość właściwa 

pary nas. [m

3

/kg] 

0,50

 

81,33

 

340,49 

2305,4

2645,9

 

3,240

0,55

 

83,72

 

350,54 

2299,3

2649,8

 

2,964

0,60

 

85,94

 

359,86

2293,6

2653,5

 

2,732

0,65

 

88,01

 

368,54

2288,3

2656,9

 

2,535

0,70

 

89,95

 

376,70

2283,3

2660,0

 

2,365

0,75

 

91,78

 

384,39

2278,6

2663,0

 

2,217

0,80

 

93,50

 

391,66

2274,1

2665,8

 

2,087

0,85

 

95,14

 

398,57

2269,8

2668,4

 

1,972

0,90

 

96,71

 

405,15

2265,7

2670,9

 

1,869

0,95

 

98,20

 

411,43

2261,8

2673,2

 

1,777

1,00

 

99,63

 

417,46

2258,0

2675,5

 

1,694

0

 

1,013

 

100,00

 

419,04

2257,0

2676,0

 

1,673

0,05

 

1,063

 

101,40

 

424,9

2253,3

2678,2

 

1,601

0,10

 

1,113

 

102,66

 

430,2

2250,2

2680,4

 

1,533

0,15

 

1,163

 

103,87

 

435,6

2246,7

2682,3

 

1,471

0,20

 

1,213

 

105,10

 

440,8

2243,4

2684,2

 

1,414

0,25

 

1,263

 

106,26

 

445,7

2240,3

2686,0

 

1,361

0,30

 

1,313

 

107,39

 

450,4

2237,2

2687,6

 

1,312

0,35

 

1,363

 

108,50

 

455,2

2234,1

2689,3

 

1,268

0,40

 

1,413

 

109,55

 

459,7

2231,3

2691,0

 

1,225

0,45

 

1,463

 

110,58

 

464,1

2228,4

2692,5

 

1,186

0,50

 

1,513

 

111,61

 

468,3

2225,6

2693,9

 

1,149

0,55

 

1,563

 

112,60

 

472,4

2223,1

2695,5

 

1,115

0,60

 

1,613

 

113,56

 

476,4

2220,4

2696,8

 

1,083

0,65

 

1,663

 

114,51

 

480,2

2217,9

2698,1

 

1,051

0,70

 

1,713

 

115,40

 

484,1

2215,4

2699,5

 

1,024

0,75

 

1,763

 

116,28

 

487,9

2213,0

2700,9

 

0,997

0,80

 

1,813

 

117,14

 

491,6

2210,5

2702,1

 

0,971

0,85

 

1,863

 

117,96

 

495,1

2208,3

2703,4

 

0,946

0,90

 

1,913

 

118,80

 

498,9

2205,6

2704,5

 

0,923

0,95

 

1,963

 

119,63

 

502,2

2203,5

2705,7

 

0,901

1,00

 

2,013

 

120,42

 

505,6

2201,1

2706,7

 

0,881

1,05

 

2,063

 

121,21

 

508,9

2199,1

2708,0

 

0,860

1,10

 

2,113

 

121,96

 

512,2

2197,0

2709,2

 

0,841

1,15

 

2,163

 

122,73

 

515,4

2195,0

2710,4

 

0,823

1,20

 

2,213

 

123,46

 

518,7

2192,8

2711,5

 

0,806

 

1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa 

 

wg materiałów Spirax Sarco 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej 

C09

 

 L. Z.  Zander 

 

13/13

 

 

Tabela 5.

 

Ciepło właściwe głównych składników żywności 

 

 

    

1420 

J/(kg

o

C) 

Białko 1550 

J/(kg

o

C) 

Tłuszcz 1670 

J/(kg

o

C) 

Popiół 840 

J/(kg

o

C) 

Woda 4190 

J/(kg

o

C) 

 

i

c

n

i

i

x

c

=

=

1