Кожухотрубний теплообмінник для охолодження сусла

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ  ТА  НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ  УНІВЕРСИТЕТ 

ХАРЧОВИХ   ТЕХНОЛОГІЙ

 

 

 

Кафедра  “ ПАХВ та ТК ”

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА  ЗАПИСКА

 

до курсового проекту  з дисципліни:

“Процеси і апарати харчових виробництв”

Кожухотрубний теплообмінник

 

для охолодження сусла.

 

 

 

         

 

 

Розробив:  ст.гр. М-III-2                                                                 

Бірюк О.В

 

                                                                     Керівник проекту:

                                                                                        Косоголова Л.О.                       

    

 

1.Вступ

 

Процеси теплообміну посідають  одне з найважливіших місць при  обробці харчових продуктів.Умовно їх можна поділити за їх характером начисті теплообмінні де масообмін відіграє підпорядковану роль (нагрівання, охолоджування, заморожування, конденсації, випаровування), а також на суміщенні тепло та масообмінні процеси (сушіння, дистиляція, ретифікація, випічка, адсурбації).

До обладнання для здійснення чисто теплообмінних процесів належать теплообмінники — підігрівачі, охолоджувачи, випарні установки та апарати, конденсатори, електронагрівачі, тощо.

У ролі теплоносія у виробництві  харчових продуктів використовують водяну пару, повітря, воду та інше. Найбільш часто використовується водяна пара завдяки тому, що вона зручна для транспортування, легко корегується і її температура та витрати має вилику теплоту конденсації, незначна її дія на матеріал паропроводів та апаратів, а також її можна використовувати в умовах безпосереднього контакту с харчовими продуктами.

Найбільш поширенні в харчовій промисловості кожухотрубні теплообмінники. Вони забезпечують великі поверхні теплообміну  в одному апараті, прості у використанні та надійні в експлуатації.

Таки теплообмінники бувають одноходові та багатоходові з різним направленням потоків теплоносіїв.

 

2.Описання апарату.

 

Прикладом багатоходового кожухотрубного теплообмінника може бути підігрівач в буряко-цукровому виробництві  типу ПДС. Підігрівач ПДС використовується для нагрівання рідини з кислою реакцією (дифузійний сік). Тому вигшотовляється він з нержавіючої сталі.

Багатоходовий підігрівач типу ПДС  складається із стального циліндричного  корпусу, закритого кришкою та дном, яке шарнірно звязане з крпусом. Для полегшення відкривання кришка і дно з’єднані між собою штангою і можуть одночасно відкриватись та закриватись гвинтовим пристроєм. Кришка і дно притискається до корпусу болтами розташованими по всьому діаметру корпусу.

В середині корпусу знаходяться  верхня і нижня трубні решітки, в яких ввальцовані трубки діаметром 33*1,5 мм.

Камери утворенні простором  між трубними решітками, кришкою  і дном, поділені за допомогою перегородок  на секціях, Завдяки перегордкам  рідина, що нагрівається кілька разів  змінює напрям свого руху і послідовно проходить пучки трубок. Швидкість рідини в таких підігрівачах 1,2..1,8 м/с.

Нагрівна пара  в підігрівач подається через патрубок, що знаходся у верхній частині корпусу. Незконденсовані  гази із верхньої частини гріючої  камери збераються в кільцовий коректор і відводяться через патрубок. Конденсат з нижньої частини парової камери перетікає у колектор і відводиться через зворотній тклапан.

Контроль температури і тиску  рідини на вході здійснюється за допомогою  термометрів та манометрів. У кришці і над нижчим є краники. Верхній призначений для випуски повітря під час наповнення підігрівача рідиною при його включенні в роботу, а нижній для остаточного випуску рідини з підігрівача.

Активна довжина трубок підігрівачив складе 3500мм. Площа поверхні нагрівання складає 60, 80, 100, 120 м² при діаметрі корпусу 1040 мм і загальній висоті підігрівача 4360 мм, 160 м² при діаметрі 1280 мм і висоті 4490 мм, 200 м² при діаметрі 1410 мм і висоті 4670 мм, і 300 м² при діаметрі 1600 мм та висоті 5360 мм.

Найбільший робочий тиск у соковій  камері становить 0,6 МПа і впаровій 0,6 МПа.

 

3.Розрахунок  поверхневого теплообмінника

 

3.1. Визначення температурних умов охолодження:

 

Середню різницю температур між  парою і рідиною, що нагрівається, визначають як середньологарифмічну різницю:                           

 

де  — різниці температур між теплоносіями на кінцях теп л ообмінни ка;

                                           

 

 — температура насиченої  пари за тиску Р.

 Середня температура рідини, яку нагрівають:

3.2. Теплофізичні властивості рідини, що нагрівається

При середній температурі  і концентрації Б теплофізичні параметри розчину або води визначаються за допомогою рівнянь або таблиць.

В'язкість

 

Густину

Теплоємність

Теплопровідность 

3.3. Теплове навантаження і витрати пари

Теплове навантаження з урахуванням теплових втрат, Дж/с або Вт,                                            

де  х — коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище; х = 1,02...1,05; G — витрата рідини, кг/с; с — теплоємність рідини, Дж/(кг • К).

     Витрати пари, кг/с:

де І, і — ентальпія нагрівної пари і конденсату, Дж/кг .

     Ентальпія конденсату

 

де  — температура конденсату, що дорівнює —(2...3)   ˚C     

 

3.4. Розрахунок коефіцієнта теплопередачі                   

 

Загальний коефіцієнт теплопередачі  визначають за такою формулою:

де  — коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки, Вт/(м² • К); — товщина стінки, м; — теплопровідність стінки, Вт/(м² • К); — коефіцієнт тепловіддачі від стінки до рідини, Вт/(м² • К).

Коефіцієнт тепловіддачі визначається залежно від режиму руху рідини.

При  Rе > 10000

де Nu, Re, Рг, Gг — відповідно критерії Еїуссельта, Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа;

— критерії Прандтля при температурі  стінки.

   У рівняннях фізичні константи треба вибирати за середньою температурою рідини.

Визначальний  геометричний розмір — внутрішній діаметр трубки , м.

За знайденою величиною Nu:

Розрахункове  рівняння для обчислення коефіцієнта  тепловіддачі :

де                                                    — розрахунковий коефіцієнт, який залежить від фізичних

властивостей плівки конденсату,                                         — теплота конденсації; Н=3м — висота вертикальної трубки;                                        — різниця температур;                 — температура пари; t_ст1=80°С— температура стінки, на якій конденсується пара;

 

Значення А залежно від температури  плівки конденсату такі:

    20       40       60       80      100     120     140     160     180     200

 

А       120     139     155     169     179     188     194     197      199     199

 

У зв'язку з тим, що температура стінки зі сторони пари і_сІІ невідома, її визначають методом послідовного наближення. Для цього задаються значенням ,         яке знаходиться між          при цьому буде ближче до     .

Задану температуру перевіряють  за таким рівнянням:

Де                                                               — розрахунковий коефіцієнт теплопередачі.

Різниця між заданою і розрахунковою  температурами повинна бути ке вища        .

 

 

 

 

 

3.5. Визначення площі поверхні теплопередачі

Площа поверхні нагрівання теплообмінника визначається за такою формулою:

 

3.6. Конструктивний розрахунок кожухотрубного теплообмінника

Для кожухотрубних теплообмінників  важливою частиною конструктивного розрахунку є розрахунок проточної частини трубного простору (див. рисунок). Виходячи із заданої продуктивності апарата і швидкості руху рідини з рівняння витрат визначають площу прохідного перерізу трубок одного ходу, м²:

 

Де G — витрата рідини, кг/с; р — густина рідини, кг/м³; w — швидкість руху рідини всередині трубок, м/с.

Звідси число трубок одного ходу

 

де d_в — внутрішній діаметр трубки, м.

Розрахункова довжина всіх ходів, м.

 

де        — розрахунковий  діаметр трубки, який визначають залежно  від співвідношення 

d₃ — зовнішній діаметр трубки, м. Кількість ходів трубного простору

Загальна кількість трубок, які  розміщуються на трубних решітках.

4.Гідравлічний розрахунок теплообмінника

 

Гідравлічний розрахунок теплообмінника потрібний для визначення потужності насосів І вентиляторів та встановлення оптимального режиму роботи апарата.

Потужність, потрібну для переміщення  теплоносія через апарат, Вт,

де                                                    — об'ємні витрати рідини;

        — перепад  тисків в апараті,      — К.К.Д. насоса або вентилятора.

Гідравлічний опір апарата складається  з опору тертя             і місцевих опорів          . Отже, повний гідравлічний опір

 

де      — коефіцієнт гідравлічного тертя; L — загальна довжина труби, м; d — діаметр труби, м;      — коефіцієнт місцевого опору; w — швидкість руху теплоносія, м/с;     — густина теплоносія, кг/'м³.

 

 

Для ізотермічного турбулентного  руху в гладеньких трубах

Значення коефіцієнтів місцевих опорів беруть з таблиць відповідних літературних джерел.

 

 

 

5.Технічно-економічний розрахунок

 

Для остаточного вибору варіанту розрахунку потрібно провести технічно-економічний  розрахунок. Співвставити капітальні витрати на виготовлення апарату  і річні експлуатаційні витрати.

Варіантність теплообмінника

де  F  — площа поверхні теплообміну м²,       — вартість виготовлення, a — амортизаційні врахування

де p — кількість років експлуатації

 

Річні експлуатаційні витрати

де       — вартість 1 кВт • год енергії, N — потужність споживана,      — кількість  робочих годин на добу, b — кількість робочих діб на рік

Визначаємо сумарні витрати:

 

За отриманими даними будують графіки  залежності

Визначаємо найменші витрати при  яких і буде оптимальна швидкість  руху рідини

6.Конструктивний розрахунок

 

6.1 Розміщення  труб в апараті.

Труби в трубних решітках найчастіше розміщують по сторонах правильних шестикутників. Для даного випадку при визначенні в теплообміннику загальної кількості труб n виходять з кількості труб a, розміщених на стороні найбільшого шестикутника:

Кількість труб, розміщених по діагоналі найбільшого шестикутника,

При закріпленні труб у трубних  решітках розвальцьовуванням крок t розміщення труб вибирають залежно від їхнього зовнішнього діаметра в межах

При закріпленні труб зварюванням  крок розміщення труб вибирають меншим                     

Іноді труби розміщують по периметрах квадратів або по концентричних  колах. Діаметр теплообмінника:

6.2 Розрахунок  патрубків

 Діаметр патрубків визначають за рівнянням об'ємних витрат, м³/с,:

звідки діаметр патрубка, м

6.3 Розрахунок випуклих  днищ.

При розрахунку апаратів для харчової промисловості товщину випуклих днищ, працюючих при внутрішньому тиску розраховуємо за формулою.

6.4 Розрахунок прокладок на невидалення з флацевого з’єднання.

В теплообмінних апаратах найбільшого  застосування мають плоскі прокладки  зажаті між двома фланцями.

Повна сила що видавлює прокладку  з фланця:

Сила тертя:

Прокладка не видавиться зі з’єднання, якщо сила тертя буде більше ніж сила, що видавлює прокладку з фланця. T>P

6.5 Визначення  товщини теплової ізоляції.

Теплова ізоляція — один із основних факторів, які зменшують втрати теплоти  і зберігають паливо.Товщина ізоляції повинна бути такою, щоб температура  на її поверхні була не більшою за 50°С.

Товщина ізоляції

де                                                   Вт/м • К — теплопровідність ізоляційного матеріалу,   

                                       — температура відповідно в апараті, на поверхні ізоляції та повітря, що оточує апарат, °С; а — сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря,

Вт/м² • К),

Для апаратів, що працюють у закритих приміщеннях,    береться в інтервалі 35...45 °С, а на відкритому повітрі в зимовий час — в інтервалі 0...10 °С.

 

8.Умови безпечної експуатації  апарату і питання екології.

 

До обладнання для нагрівання та охолодженя харчових продуктів, ставляться вимоги теплового, гідродинамічного, конструктивного, експлуатаційного технологічного характеру, які враховуються при виборі, розрахунку та конструювані відповідного апарату.

Основні вимоги до такого типу обладнання — досягнення в теплообміннику максимального коефіціента теплопередачі при мінімальному гідравлічному опорі, герметичність поверхні нагрівання, надійність в роботі, зручність ремонту та очищення, надійна  термокомпенсація конструктивних елементів, мінімально можлива металоємність, максимально можлива питома поверхня нагрівання, простота конструкції технологічність виготовлення та монтажу, достатня міцність, аппарат повинен мати високу продуктивнісь виготовлення, монтаж, експлуатація, ремонт та обслуговування апарата повинні бути екологічно вигідними.