1. На каком из способов теплопередачи основано нагревание твёрдых тел?A. Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.2. Какой вид теплопередачи

сопровождается переносом вещества?A.Теплопроводность.Б. Излучение.B.Конвекция.3. Какое из перечисленных ниже веществ имеет наибольшуютеплопроводность?А. Мех. Б. Дерево. В. Сталь.4.Какое из перечисленных ниже веществ имеет наименьшую, теплопроводность?A.Опилки. Б. Свинец. В. Медь.5. Назовите возможный способ теплопередачи между телами, отделеннымибезвоздушным пространством.A.Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.6.Металлическая ручка и деревянная дверь будут казаться на ощупь одинаковонагретыми при температуре...A.выше температуры тела.Б. ниже температуры тела.B.равной температуре тела.7.Что происходит с температурой тела, если оно поглощаетстолько же энергии, сколько излучает?A.Тело нагревается.Б. Тело охлаждается.B. Температура тела не меняется.8. Каким из способов происходит теплопередача в жидкостях?A.Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.9. Какое из перечисленных ниже веществ обладает наименьА. Воздух. Б. Чугун. В. Алюминий10. Удельная теплоемкость воды 4200(Дж/кг*0С). Это означает,что...A.для нагревания воды массой 4200 кг на 1 °С требуется количество теплоты,равное 1 Дж.Б. для нагревания воды массой 1 кг на 4200 °С требуется количество теплоты,равное 1 Дж.B.для нагревания воды массой 1 кг на 1 °С требуется коли11.Удельная теплота сгорания топлива показывает, какое коA.сгорании топлива.Б. полном сгорании топлива.B. при полном сгорании топлива массой 1 кг.12. Испарение происходит...A.при любой температуре.Б. при температуре кипения.B.при определенной температуре для каждой жидкости.13. При наличии ветра испарение происходит...A.быстрее.Б. медленнее.B. с такой же скоростью, как и при его отсутствии.14. Может ли КПД теплового двигателя стать равным 100%, если трение междудвижущимися деталями этой машины свести к нулю?А. Да. Б. Нет.15. Из какого полюса магнита выходят линии магнитного поля?А. Из северного. Б. Из южного. В. Из обоих полюсов.16. К шарику незаряженного электроскопа подносят, не касаясь его, телозаряженное отрицательным зарядом. Какой заряд приобретут листочкиэлектроскопа?А. Отрицательный. Б. Положительный. В. Никакой.17. Может ли атом водорода или любого другого вещества изменить свой заряд на1,5 заряда электрона?А. Да. Б. Нет.18. Какое изображение получается на сетчатке глаза человека?А. Увеличенное, действительное, перевернутое.Б. Уменьшенное, действительное, перевернутое.В. Увеличенное, мнимое, прямое.Г. Уменьшенное, мнимое, прямое.19. Что измеряет амперметр?А) Электрическое сопротивление проводниковБ) Напряжение на полюсах источника тока или на каком-то участке цепиВ) Силу тока в цепиГ) Мощность электрического тока20. Диффузия – это:А) Процесс повышения температурыБ) Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одноговещества между молекулами другогоВ) Явление, при котором тело из состояния твердого переходит в состояниежидкогоГ) Процесс увеличения плотности тела21. Формула КПД:А) ŋ= Аn* 100%АɜБ) ŋ= Аɜ * 100%АnВ) ŋ= Аn * Аɜ100%Г) ŋ= Аn * Аɜ * 100%22. Что гласит закон Архимеда?А) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнавесу жидкости, вытесненной этим теломБ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнаскорости погружения этого тела в жидкостьВ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнаплотности этого телаГ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весуэтого тела23. Какое дейА)теп24. ВнутА)тольБ)тольВ)тольГ) от тем25. Какие из перечисленных веществ относятся к проводникам?а) резина; б) медь, в) пластмасса; г) стекло.26. Тело электризуется только тогда, когда оно …... заряд.а) приобретает; б) теряет; в) приобретает или теряет.27. Какие из перечисленных веществ относятся к диэлектрикам?а) резина; б) медь; в) раствор серной кислоты; г) сталь.28. Одноименно заряженные тела …...., а разноименно заряженные - ……...а) ...отталкиваются, ...притягиваются,б) ...притягиваются, ...отталкиваются.29. Электрическим током называют...А. Движение электронов по проводнику.Б. Упорядоченное движение электронов по проводнику.В. Упорядоченное движение протонов по проводнику.Г. Упорядоченное движение заряженных частиц.Д. Движение электрических зарядов по проводнику.30. Какое превращение энергии происходит при работе электрической кофемолки?Электрическая энергия превращается...А. В химическую. Б. В механическую.В. В световую. Г. Во внутреннюю

1.сколько воды можно нагреть кипятильником от 10 градусов до 100градусов ЦЕльси, сжигая в нем 0,6кг березовых дров, если для нагревания воды пошло 25%

теплоты, выделившейся при сжиганий дров

2.сколько дров понадобится сжечь, чтобы истопить кирпичную печь? КПД печи равен 25% , маса печи 1,5 т, в процессе протапливания температура печи изменяется от 10 градусов до 70 градусов цельси.

3. На спиртовке нагрели 175г воды от 15 градусов до 75градусов Цельси. НАчальная масса спиртовки со спиртом была равна 163г, а по окончании нагревания - 157г. Найдите КПД нагревательной установки

4. В медном сосуде массой 0,5 кг нагреваются 2л воды, взятой при температуре 10 градусов ЦЕльси. До какой температуры можно нагреть воду за счет сжигания 50г спирта (КПД считать равным 50%)?

5. На примусе с КПД 40% необходимо вскипятить 4л воды, начальная температура которой 20 градусов Цельси, в алюминиевой кастрюле массой 2кг.Определите расход керосина на нагревание воды и кастрюли.

6. Каково отношение масс спирта и бензина в смеси,если удельная теплота сгорания этой смеси 40 МДж/кг?

ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Модуль № 4

Теплообменные процессы

Лекция № 20

Нагревание и испарение

Литература:

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.

2. Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/ [А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н. Острикова.

План лекции:

1. Нагревание.

2. Испарение.

3. Аппараты для нагревания пищевых сред.

Контрольные вопросы:

1. Какими методами нагревают пищевые продукты?

2. В чем особенности нагревания водой?

3. Какими достоинствами обладает процесс нагревания водяным насыщенным паром?

4. В чем недостатки нагрева топочными газами?

5. Как используют электрический ток для нагревания?

6. В чем существо терморадиационного нагрева?

7. В каких аппаратах теплообменными конструкциями являются трубы?

8. Определите технологические преимущества пластинчатых теплообменников.

ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Нагреванием называется процесс повышения температуры ма­териалов путем подвода к ним теплоты. В пищевой технологии широко распространены методы нагревания горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным па­ром, топочными газами и электрическим током.

Для этих целей применяют теплообменники различных конст­рукций.

Нагревание водой используют для повышения температуры и пастеризации пищевых продуктов при температурах ниже 100 °С. Для нагревания до температуры выше 100 °С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением. Вода относится к доступным и дешевым некоррозиеактивным теплоно­сителям, обладающим высокими теплоемкостью и коэффициен­том теплоотдачи. Обычно обогрев водой осуществляется через разделяющую теплоноситель и продукт стенку аппарата.

При нагревании водой или другими жидкостями, например маслом, органическими теплоносителями, часто применяют циркуляционный способ обогрева. По этому способу го­рячая вода (либо другой теплоноситель) циркулирует между на­гревателем и теплообменником, в котором она отдает теплоту.

Циркуляция может быть естественной или принудительной. Есте­ственная циркуляция происходит за счет разности плотностей го­рячего и холодного теплоносителей.

Более эффективен способ обогрева с принудительной циркуля­цией при помощи насоса.

Для обогрева теплиц при выращивании огурцов, томатов и дру­гих овощей используют горячую воду, отходящую от заводских теплоиспользующих установок.

Другой способ нагревания горячими жидкостями - обогрев при помощи обогревательных бань, представляющих собой аппараты с рубашками. Рубашка нагревается топочными га­зами, электрическим током или насыщенным водяным паром вы­сокого давления, подаваемым в змеевик.

Из высококипящих органических жидкостей для создания вы­соких температур применяют минеральные масла (до 250... 300 °С), тетрахлордифенил (до 300 °С), глицерин, кремнийорганические соединения и др. Наибольшее распространение получила дифенильная смесь, которую используют для нагревания по циркуля­ционному способу, а также для заполнения обогревательных бань. Коэффициент теплоотдачи для жидкой дифенильной смеси в ус­ловиях естественной циркуляции составляет 200... 350 Вт/(м 2 · К). Дифенильная смесь обеспечивает обогрев до 260...400 °С.

Расход воды или другого теплоносителя на нагревание опреде­ляют из теплового баланса.

где W в и G п – массовые расходы соответственно воды и продукта, кг/ч; с в и с п – теплоёмкости соответственно воды и продукта, кДж/(кг · К); t в.н. и t п.к. – конечные температуры соответственно воды и продукта, °С; Q п – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое рас­пространение благодаря следующим его достоинствам: большому количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации водяного пара (2024...2264 кДж на 1кг конденсирующегося пара при абсо­лютных давлениях соответственно 0,1...1,0 МПа); высокому коэф­фициенту теплоотдачи отконденсирующего пара стенке - при­мерно 20 000...40 000 кДж/(м 2 · ч · К); равномерности обогрева.

При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа: нагревание «глухим» насыщенным и «острым» паром.

При нагревании «глухим» паром теплота от кон­денсирующегося насыщенного водяного пара нагреваемому теп­лоносителю передается через разделяющую их стенку. Греющий «глухой» пар конденсируется и выводится из парового простран­ства теплообменника в виде конденсата. При этом температуру конденсата принимают равной температуре насыщенного грею­щего пара.

Массовый расход пара (кг/ч) при нагревании жидкости опреде­ляют из теплового баланса.

где D – массовый расход пара, кг/ч; G – массовый расход жидкости, кг/ч; с – удельная теплоёмкость жидкости, кДж/(кг · К); t и и t к – соответственно начальная и конечная температуры жидкости, °С; і ´ и і ´´ - удельные энтальпии соответственно греющего пара и конденсата, кДж/ч.

Чтобы пар полностью конденсировался в паровом простран­стве теплообменника, на отводной линии конденсата устанавли­вают конденсатоотводчики различных конструкций (рис. 1). Конденсатоотводчик пропускает конденсат, но не пропускает пар, поэтому он полностью конденсируется в паровом пространстве Теплообменника, что приводит к существенной экономии пара.

При нагревании «острым» паром водяной пар вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Пар конденсирует­ся и отдает теплоту нагреваемой жидкости, а конденсат смешива­ется с жидкостью. Пар вводится через барботер, представляющий собой во многих случаях трубу сотверстиями, согнутую по спирали Ар­химеда либо по окружности. Впуск пара по барботеру обеспечивает одно­временно с нагреванием жидкости ее перемешивание с паром.

Рис. 1. Схема установки конденсатоотводчика:

1 – теплообменник; 2 – продувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик;

4 – вентили; 5 – отводная линия.

Расход «острого» пара определяют из теплового баланса

Обозначения здесь те же, что и в уравнении (3).

Расход «острого» пара

Нагревание «острым» паром применяют в тех случаях, когда допустимо разбавление нагреваемой среды водой. Этот способ ча­сто используют для нагревания воды и водных растворов.

Нагревание топочными газами , образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных пе­чах, используют, например, для обогрева сушилок.

Недостатками обогрева топочными газами являются: низкий коэффициент теплоотдачи, равный 60...120кДж/(м 2 · ч · К), зна­чительные температурные перепады и неравномерный нагрев; сложность регулирования температуры; окисление стенок аппа­ратов, а также наличие вредныхпродуктов сгорания, что делает недопустимым применение топочных газов для нагревания пи­щевых продуктов при непосредственном соприкосновении с ними.

Кроме топочных газов, полученных в специальной печи, ис­пользуют также отработавшие газы от печей, котлов и т. д. тем­пературой 300...500 °С. Применение отработавших газов не требу­ет дополнительного расхода топлива, поэтому использование их для нагревания весьма рационально.

При нагревании электрическим током используют ток напряже­нием 220...380 В и частотой 50 Гц, токи высокой и сверхвысокой частоты (СВЧ) с частотой колебаний от нескольких сотен кило­герц до тысяч мегагерц.

Нагревание продуктов электрическим током может осуществляться прямым и косвенным действием. При прямом воздействии электрического тока тело нагревается при прохождении через него электрического тока. При косвенном воздействии теплота выде­ляется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам (ТЭН). Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвек­цией. Нагревательные элементы изготовляют из проволоки или ленты нихрома (сплав, содержащий 20 % хрома, 30...80 % никеля, 0,5...50 % железа).

ТЭНы бывают разнообразной формы: цилиндрические, плос­кие, спиральные, круглые, кольцеобразные. ТЭНы устанавливают в электроплитах, мармитах, варочных котлах, фритюрницах, блинницах, в хлебопекарных печах.

Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяют из теплового ба­ланса

где Q э – количество теплоты, которое выделяется в нагревательном электрическом элементе при прохождении в нём электрического тока, Дж/ч; G – расход продукта, кг/ч; с – удельная теплоёмкость продукта, Дж/ (кг · К); t и и t к - соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, °С; Q п – потери теплоты в окружающую среду, Дж/ч.

Из уравнения (7) получим

(8)

Мощность электронагревательных элементов, Вт,

(9)

В настоящее время большинство оборудования пищевой промышленности работает на электрическом токе, который практически вытеснил газовые приборы.

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик, помещенный между пластинами кон­денсатора переменного электрического тока, его молекулы прихо­дят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачива­ется на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющей­ся теплоты пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно частота тока составляет 1 · 10 6 ...100 · 10 6 Гц.

Для получения токов высокой частоты используют генераторы различных конструкций. К достоинствам диэлектрического нагре­вания относятся: непосредственное выделение теплоты в нагрева­емом теле, равномерный быстрый нагрев всей массы продукта до требуемой температуры, простота регулирования процесса.

В последние годы широкое применение в пищевой технологии на­шел нагрев в поле СВЧ, которое характеризуется сантиметровым диа­пазоном длин волн и частотой колебаний в тысячи мегагерц. СВЧ-на­грев используют в микроволновых печах для разогревания продуктов, выпечки и т. д., а также для обеззараживания сырья и продуктов.

Для преобразования электрического тока частотой 50 Гц в токи СВЧ в микроволновых печах служат магнитроны. Частота колеба­ний находится в обратной зависимости от длины волны λ и опре­деляется как v = с/λ, где с - скорость распространения света, равная 300 000 км/с. Высокочастотный нагрев основан на явлении поляризации. В диэлектрике колебания молекул связаны с трени­ем частиц между собой. В результате возникающего трения в мас­се продукта выделяется теплота. Чем больше частота электричес­кого поля, тем больше генерируется в массе продукта теплоты.

Для определения количества теплоты, выделяемой в единице массы продукта, определим удельные диэлектрические потери.

Потери мощности в единице массы или объема, Вт/см 3 ,

где Р- общая потеря мощности, Вт, в диэлектрике емкостью с, находящемся под переменным напряжением U при частоте f, V- единица объема.

Подставим в уравнение (10) значения общей потери мощнос­ти Р= UI c м cos φ и полного значения тока смещения в диэлектрике I см - ωcU, где ω – угловая частота поля; ω = 2πf.

После подстановки получим

Заменив V= Sd, где площадь S- поверхности рабочей части пластин конденсатора; d- расстояние между пластинами; φ - угол, на который ток смещения в цепи опережает приложенное напряжение, получим

(12)

Если напряженность электрического поля Е (В/см) выразим как Е= U/d ,a емкость с = εS/d , где ε - диэлектрическая проница­емость продукта, получим

(12)

Выразив f в Гц, Е в В/см, окончательно получим потерю мощ­ности, Вт/см 3 , (13)

Произведение etg δ называется коэффициентом диэлектричес­ких потерь. Как следует из уравнения (85), удельные диэлект­рические потери, которые определяют количество выделяемой теплоты в единице массы или объема диэлектрика-продукта, зави­сят от параметров поля высокой частоты и от диэлектрических свойств материала, т. е. от угла δ диэлектрических потерь и ди­электрической проницаемости ε.

Терморадиационный нагрев представляет собой сложный физи­ческий процесс, обусловленный большой оптической плотностью и неоднородностью облучаемых продуктов.

При терморадиационном нагреве теплота подводится к про­дукту от генераторов инфракрасного излучения: высокотемпера­турных излучателей, кварцевых и зеркальных ламп.

Применение ИК-нагрева позволяет сократить продолжитель­ность обработки продуктов, а также повысить их качество. При облучении продукта ИК-лучами лучистая энергия превращается в теплоту. Эффективность нагревания зависит от спектральных ха­рактеристик генераторов излучения и облучаемого продукта.

Так, например, при вялении дынь продолжительность процес­са в поле ИК-излучений сокращается в 3...5 раз и при этом значи­тельно повышается качество продукта.

Инфракрасное излучение отличается от других видов электро­магнитных колебаний частотой, длиной волны и скоростью ее распространения. Длина волны ИК-излучения находится в преде­лах 7,7 · 10 -5 ...3,4 · 10 -2 см (0,77...340 мкм).

Оптические свойства продукта определяются его свойствами и содержащейся в нем воды. Спектральные характеристики генера­торов излучения должны соответствовать спектральным характе­ристикам облучаемых продуктов. При правильном выборе излуча­теля и режима облучения обеспечивается проникновение излуче­ния в глубь материала, что приводит к интенсификации процес­сов тепломассообмена. Проницаемость материалов для ИК-лучей зависит от вида материала (капиллярно-пористые или коллоид­ные), их структуры, размеров капилляров, характера их распреде­ления, от вида связи влаги с материалом.

Капиллярно-пористые материалы поглощают энергии больше, чем коллоидные. Это связано с многочисленными отражениями тепловых лучей от стенок капилляров материала.

Основная часть энергии поглощается поверхностным слоем продукта, а внутрь попадает только незначительная ее часть, со­ставляющая на глубине 1...2 мм только 5...20% энергии облуче­ния. Так, при ИК-нагреве слой муки не должен превышать 10 мм, фруктов и овощей - 10... 15 мм.

Если продукт способен выдерживать нагрев до высоких темпе­ратур, то при проникающем облучении следует применять высо­котемпературные источники излучения. При этом заметно ин­тенсифицируется процесс нагревания без опасности перегрева поверхности продукта.

В электрических индукционных печах нагревание осуществля­ется индукционными токами. Корпус печи выполняет роль сер­дечника соленоида, по которому пропускается переменный ток. Вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенке печи электродвижущую силу. Стенки печи нагреваются вторичным током. Соленоид изготовляют из матери­алов с низким омическим сопротивлением, например из медной и алюминиевой проволоки.

Диэлектрическое нагревание используют для нагревания ди­электриков. Количество выделяющейся теплоты прямо пропорци­онально квадрату напряжения и частоте тока.

Преимущества диэлектрического нагревания: высокая скорость процесса, равномерный прогрев материала, возможность регули­рования процесса.

Нагревание в химической и смежных отраслях промышленности используют для ускорения химических реакций, а также для проведения и интенсификации ряда гидродинамических, тепловых и массообменных процессов.

В зависимости от температурных и других условий проведения процесса для каждого из них выбирают такой метод нагревания, который является наиболее оправданным в технологическом и экономическом отношениях.

Наибольшее распространение получили следующие методы нагревания: водяным паром и горячей водой, топочными газами, высокотемпературными теплоносителями и электрическим током.

1. Нагревание водяным паром и горячей водой

Для нагревания применяется преимущественно насыщенный водяной пар, основными достоинствами которого являются:

– высокая теплота конденсации, численно равная теплоте испарения;

– высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности теплопередачи;

– равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

– возможность передачи на большие расстояния без транспортирующих устройств.

Основной недостаток водяного пара – быстрый рост давления с повышением температуры, что приводит к удорожанию аппаратуры из-за необходимости увеличения ее прочности. Поэтому температуры, до которых можно производить нагрев в промышленных условиях, обычно не превышают 180–190 С, что соответствует давлению пара 1,0–1,5 МПа.

Рисунок8.1 – Устройство для нагревания жидкости «острым» паром: 1 – резервуар; 2 – паровая труба; 3 – запорный вентиль; 4 – обратный клапан; 5 – продувочный вентиль

Нагревание «острым» паром . Наиболее простым способом нагревания является введение пара непосредственно в нагреваемую среду (жидкость). Пар при этом конденсируется и отдает тепло нагреваемой среде, а образующийся конденсат смешивается с ней. Такой пар получил название «острого». Простейший аппарат для нагревания жидкости «острым» паром представлен на рис. 8.1.

Рисунок 8.2 – Паровой барботер: 1 – резервуар; 2 – барботер; 3 – паропровод; 4 – запорный вентиль

Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер – трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис. 8.2) или колец.

На паропроводящей трубе устанавливают обратные клапаны (рис. 8.1), которые пропускают пар в аппарат, но задерживают жидкость, поднимающуюся из аппарата в случае, когда давление в паропроводе ниже давления в аппарате. Для того чтобы избежать введения излишних количеств воды в нагреваемую жидкость, на паровой трубе устанавливают продувочные вентили, через которые перед нагреванием удаляют накопившийся в трубе конденсат.

При обогреве «острым» паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.

Расход «острого» пара D определяют из теплового баланса:

откуда
,(8.1)

где G , c , t н – расход, удельная теплоемкость и начальная температура нагреваемой жидкости;t к – конечная температура смеси нагреваемой жидкости и конденсата;λ– энтальпия пара;c к – удельная теплоемкость конденсата.

Нагревание «глухим» паром . Если по технологическим причинам недопустимо использование «острого» пара, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку.

Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства теплообменного аппарата в виде конденсата. Температура конденсата с достаточной точностью может быть принята равной температуре насыщенного греющего пара. При таком допущении передача тепла происходит при постоянной температуре одного из теплоносителей и взаимное направление движения жидкости и пара не имеет значения. Однако в теплообменный аппарат пар обычно подводят сверху для того, чтобы конденсат мог свободно стекать сверху вниз и удаляться из аппарата.

Расход «глухого» пара определяют из теплового баланса:

, (8.2)

где t конд – температура конденсата.

Для нормальных условий работы теплообменных аппаратов, обогреваемых водяным паром, необходимо непрерывно отводить от них конденсат. При этом нельзя допускать потери несконденсировавшегося пара с уходящим из аппарата конденсатом.

Отвод конденсата и неконденсирующихся газов производится с помощью специальных устройств –конденсатоотводчиков. Работа их основана на использовании различия плотностей пара и конденсата.

Конденсатоотводчики с закрытым поплавком (рис. 8.3,а ) применяют при давлении пара выше 1 МПа. При поступлении в корпус 3 конденсата поплавок 2 всплывает, открывая клапан 1 для вывода конденсата. С выходом конденсата поплавок опускается и клапан закрывает выходное отверстие.

При непрерывном поступлении конденсата клапан открыт соответственно постоянному расходу. Вертикальное положение поплавка с клапаном фиксируется стержнем 4 и направляющим стаканом 5.

Рисунок 8.3 – Конденсатоотводчики: а – с закрытым поплавком;б – с открытым поплавком; 1 – клапан; 2 – поплавок; 3 – корпус; 4 – стержень; 5 – направляющий стакан

Конденсатоотводчики с открытым поплавком (рис. 8.3,б ) периодического действия. Конденсат поступает в корпус и заполняет его. При этом поплавок, выполненный в виде стакана, всплывает и при помощи клапана закрывает выходное отверстие. Клапан крепится к стакану стержнем. При дальнейшем поступлении конденсата он начинает переливаться через края поплавка и заполняет его. При определенном заполнении поплавка конденсатом он опускается и клапан открывает отверстие, через которое выводится конденсат.

При постоянном расходе пара, а следовательно, и при постоянной скорости отвода конденсата применяют более простые конструкции конденсатоотводчиков. Таким конденсатоотводчиком служит подпорная шайба, представляющая собой диск с одним или несколькими отверстиями диаметром до 5–6 мм. Перед диском устанавливают добавочную шайбу с отверстием большего диаметра или сетку для предупреждения засорения отверстия шайбы песком, окалиной и т.д. Работа шайбы основана на том, что при небольших давлениях до 0,7 МПа через нее проходит ничтожно мало пара по сравнению с расходом конденсата.

Подобно подпорной шайбе работает подпорный фильтр. Здесь роль шайбы выполняет слой песка или гравия, насыпанный на сетку. Соответственно размеру частиц фильтрующего слоя высота его выбирается таким образом, чтобы производительность строго отвечала количеству отводимого конденсата.

Рисунок 8.4 – Схема установки конденсатоотводчика: 1 – теплообменный аппарат; 2 – отдувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик; 4, 5, 6 – запорные вентили; 7 – обводная линия

Конденсатоотводчики устанавливают не менее чем на 0,5 м ниже места вывода конденсата из пространства теплообменного аппарата. Для обеспечения непрерывной работы аппарата при ремонте и осмотре конденсатоотводчиков они снабжаются обводной линией (рис. 8.4).

При обогреве «глухим» паром в паровом пространстве теплообменника скапливаются несконденсирующиеся газы, главным образом воздух, попадающий в аппарат вместе с паром. Из-за наличия газов в паровом пространстве резко снижается коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, поэтому газы периодически удаляют с продувкой через предусмотренный для этой цели в аппарате штуцер с вентилем.

Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, так как она имеет более низкий коэффициент теплоотдачи, более низкую температуру при низких давлениях, а в процессе теплообмена охлаждается (неравномерный обогрев). Ее используют для нагревания до температур ниже 100 С. Как правило, для этой цели служит отходящая вода или конденсат пара.

В предыдущем параграфе мы установили, что при работе против сил трения трущиеся тела нагреваются. Было сделано много различных опытов с целью точно измерить то изменение температуры, которое получается ври совершении определенной работы. Такие опыты в середине XIX века одним из первых осуществил Джоуль. Его прибор изображен на рис. 365. Разрез прибора показан в упрощенном виде на рис. 366. В сосуде с водой вращаются лопасти 1, приводимые в движение с помощью груза массы , который подвешен на шнуре, перекинутом через блок 2. При опускании груза лопасти вращаются, проходя при этом сквозь отверстия в перегородках 3, и, увлекая воду, вызывают трение одних слоев воды о другие. При трении вода и сосуд нагреваются; никаких других изменений ни вода, ни другие части прибора не испытывают. При опускании груза с высоты действующая на него сила тяжести совершает работу, равную . В начале и в конце опыта все части прибора - груз, лопасти, вода - находятся в покое, так что в результате опускания груза кинетическая энергия всех этих тел не изменяется.

Рис. 365. Прибор Джоуля

Рис. 366. Разрез прибора Джоуля

Таким образом, вся совершенная работа вызывает только нагревание воды, лопастей и других частей прибора. Это дает возможность подсчитать, какую работу нужно затратить, чтобы повысить температуру единицы массы воды на один кельвин. При этом Джоуль учел, что кроме воды нагреваются также и лопасти и сосуд. Как учитывается это нагревание, мы рассмотрим далее.

Опыты Джоуля повторялись неоднократно, причем условия опыта подвергались разнообразным изменениям. Менялось количество наливавшейся воды, масса грузов и высота их поднятия, моменты действующих сил и т. д. При всех этих измерениях всегда получался один и тот же результат: для нагревания одного килограмма воды на один кельвин надо произвести работу, равную 4,18 килоджоуля.

Кроме описанного опыта, и самим Джоулем и другими исследователями было выполнено много других опытов, также имевших целью установить связь между изменением температуры и совершенной работой. Наблюдалось нагревание газа, возникающее за счет работы, совершенной при сжатии; определялось разогревание трущихся друг о друга металлических дисков при одновременном определении работы, совершенной при преодолении трения, и т. д. Сравнение результатов этих опытов представляет некоторую трудность, так как в разных опытах нагреванию подвергались весьма различные тела.

Мы увидим дальше (§209), каким образом можно каждый раз свести полученное нагревание к нагреванию одного и того же вещества, например воды. Если произвести такое сравнение, то из всех описанных и многих аналогичных опытов можно вывести крайне важное заключение: если при исчезновении механической энергии не происходит никаких изменений в состоянии тел (например, плавления, испарения и т. д.), кроме изменения температуры, то за счет энергии 4,18 килоджоуля температура одного килограмма воды повышается всегда на один кельвин.

Таким образом, опыты Джоуля дают подтверждение закона сохранения энергии в расширенном смысле. При всех движениях, как происходящих без трения, так и сопровождающихся трением, сумма кинетической, потенциальной и внутренней энергий всех участвующих тел не изменяется. Эту сумму мы будем называть полной энергией тел или просто их энергией.

Рассмотрим пример. Пусть над свинцовой пластинкой висит на некоторой высоте свинцовый шарик. Энергия этой системы состоит из: а) потенциальной энергии шарика; б) внутренней энергии шарика и пластинки. Пусть теперь шарик упадет на пластинку и своим ударом вызовет нагревание. Потенциальная энергия шарика уменьшится, зато увеличится внутренняя энергия пластинки и шарика. Полная энергия остается неизменной.

203.1. В приборе Джоуля, как это видно на рис. 365 и 366, скорость опускающихся грузов во много раз меньше скорости лопаток. Какая цель преследовалась таким устройством?

Нагревание можно проводить: непосредственно голым пламенем; через асбестированную сетку; на бане; электронагревательными приборами.

Голым пламенем пользуются большей частью при прокаливании шамотных, фарфоровых, платиновых, никелевых, железных и других металлических тиглей и кварцевой посуды.

Нагревать голым пламенем химическую посуду, например колбы, стаканы и т. д., не рекомендуется, так как посуда при этом может лопнуть. При нагревании химической посуды в большинстве случаев пользуются асбе-стированными сетками (рис. 208) или куском листового асбеста. Сетку кладут на треногу или на кольцо штатива, на нее ставят сосуд и снизу подставляют горелку. Пламя горелки не касается непосредственно сосуда, и нагревание идет через асбест, чем достигается большая равномерность обогрева.

Однако на сетке довольно трудно вести нагревание при какой-либо определенной температуре. Для этого применяют разного рода бани, из них наиболее употребительными являются: водяные, паровые, солевые, воздушные, песочные, масляные, глицериновые, парафиновые, трикрезилфосфатные, из легкоплавких металлов и сплавов.

Водяные бани (рис. 209). Водяные бани применяют только в тех случаях, когда требуется нагревание не выше 100°С, Бани закрываются сверху рядом концентрических, налегающих одно на другое колец.

Кроме одпогнездных водяных бань, в лабораториях применяют также и многогнездные, одна из которых показана на рис. 210.

Рис. 208. Асбестированная сетка.

Нагревание на водяной бане можно проводить двумя способами: обогреваемую посуду погружают в кипящую воду, в этом случае температура нагрева достигает 100° С; обогреваемая посуда не касается воды и нагревается только водяным паром, - температура нагрева на несколько градусов ниже 100° С.

Рис. 210. Трехгнездная водяная баня с газовым обогревом.

В баню наливают воду так, чтобы до краев оставалось 2-3 см. Нагреваемый сосуд помещают на кольцо такого диаметра, чтобы своей нижней частью он находился на 1,5-2 см внутри бани.

Если нагревают стакан, то его надо ставить так, чтобы он не проваливался, т. е, внутренний диаметр кольца должен быть меньше диаметра дна стакана.

Воду в бане нагревают до кипения и поддерживают в таком состоянии во все время нагревания.

При работе с водяной баней нужно заботиться о том, чтобы в ней всегда была вода. Часто случается, что по недосмотру работающего вся вода из бани выкипит, в результате чего могут произойти неприятные последствия (порча бани, порча нагреваемого вещества). Поэтому в лабораторной практике лучше всего пользоваться 6ai нями с автоматическим питанием водой (рис. 209,а)." В нижней части такой бани имеется отросток, к которому присоединено сифонное устройство для автомати-

Рис. 211. Схема сифона для поддержания постоянного уровня воды: 1 - трубка, присоединяемая к водо-проиодному крану; 2-сливная трубка для удаления избытка воды; S-трубка, соединяющая сифонное устройство с водяной баней.

ческого поддержания уровня воды. Сифонные устройства бывают различной конструкции. Одна из конструкций сифонного устройства для автоматического питания бани водой показана на рис. 211. Вода в баню поступает через трубку /, соединенную с источником воды (водопроводный кран, бутыль с водой). Излишки воды вытекают через сливной патрубок 2, на который надевают резиновую трубку, отведенную в раковину. Ток воды через трубку / устанавливают очень медленный.

Можно также устроить автоматическое питание бани водой по схеме, изображенной па рис. 212. Баня 5 соединяется через сифонное устройство 4 резиновой трубкой с сосудом 3. Вода в этом сосуде должна находиться на одном уровне с водой в бане. Этот сосуд при помощи коленчатой трубки 2 соединен с сосудом 1. Трубка 2 опущена в сосуд 3 на 1-1,5 см. Когда уровень воды в бане 5 и в сосуде 3 понизится так, что конец трубки 2 будет находиться над уровнем жидкости, из сосуда / выльется такое количество воды, которое снова создаст прежний уровень.

Еще менее сложное приспособление для автоматического питания водой приведено на рис. 213; оно состоит из колбы или бутыли 1 емкостью в несколько литров, укрепленной в штативе горлышком вниз. Через пробку проходит уравнительная трубка 2, нижний конец которой опущен в патрубок 3 так, чтобы он был в воде не более чем на 1 см. По мере убывания воды в бане 4 нижний конец уравнительной трубки 2 окажется над уровнем жидкости, в результате чего из бутыли / выльется такое количество воды, что в патрубке 3 установится начальный уровень жидкости.

Для обогревания небольших пробирок в качестве водяной бани рекомендуется использовать химические стаканы небольшой емкости. Предложено много способов крепления пробирок в подобных случаях. Удобно применять приспособление (рис. 214), которое легко может изготопкть каждый работающий в лаборатории. В центре корковой пробки подходящего размера (по стакану) укрепляют держалку из проволоки. В пробке просверливают 3-4 или больше отверстий, диаметр которых на 1 мм больше диаметра пробирок. Пробирку с веществом, подлежащим обогреву, вставляют в отверг стис пробки и помещают последнюю в стакан с горячей водой.

Если в лаборатории имеется подводка пара, то им очень удобно пользоваться для обогрева водяных бань, особенно групповых, имеющих много гнезд. Приспособить водяную баню для обогрева паром может любая механическая мастерская. Устройство водяной бани с паровым обогревом напоминает паровую баню (см, ниже).