Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для пастеризації продукту

  Далі надходять на інспекцію сировини за якістю проводять на стрічкових інспекційних конвеєрах зі швидкістю стрічок 0,15 м/с. Під час інспекції видаляють яблука вражені хворобами, шкідниками, недоспілі, а також побічні домішки. Потім ополіскують під душем під тиском води 0,2-0,22 МПа.

  Подрібнення. Для полегшення виходу соку плоди подрібнюють. Яблука подрібнюють на частини розміром 2-6 мм в залежності від міцності тканини плодів і використовуючим пресовим обладнанням. Чим міцніша тканина яблук, тим дрібніші можуть бути частинки мезги. Ефективність цієї операції буде вищою, чим більше рослинних клітин буде пошкоджено.

  Яблука технічної зрілості з міцною тканиною подрібнюють на частинки розміром 2-5 мм, яких повинно бути не менше 75% від загальної маси мезги. Мезга повинна мати зернисту структуру. Для подрібнення використовують дробарку.

Витягання соку. Для одержання соку з яблук використовують стрічковий прес безперервної дії продуктивністю по яблукам відповідно 2,5і 5 т/год. Вихід соку - приблизив 70%.

  Для полегшення пресування і підвищення виходу соку рекомендується перед пресом встановлювати стікач шнекового типу. Тиск на мезгу в стікачі повинен бути в загрузочній частині не більше 0,02 МПа, на виході не більше 0,05 МПа. Вихід соку в стікачі рекомендується до 30%.

  Проціджування. Сік проціджують через сито із нержавіючої сталі з отворами діаметром 0,75 мм або капронове сито № 18 для видалення потрапивших в сік при пресуванні кусочків мезги, зернят та інших домішок. Рекомендується використання безперервно-діючого ситового щіткового фільтра.

  Освітлення. Сік спочатку піддають миттєвому підігріву до температури коагуляції колоїдів (85-90°С), витримують при цій температурі 1 - 3 хв, а потім швидко охолоджують до 30 - 35 "С. Після цього сік перекачують в ферментатор, де в залежності від вмісту пектину, в нього додають від 0,01 до 0,03 % очищеного ферментного пектологічного препарату і від 0,005 до 0,02 % желатину. Желатин використовують харчовий не нижче 2 сорту. Ферментний препарат вносять в вигляді суспензії, приготовленої на соці. Желатин (0,1 - 0,2 г/кг) спочатку замочують в холодну воду на 24-48 год. Коли ві н набухне, воду зливають і заливають гарячою (55 - 60°С) водою або соком в такій кількості, щоб отримати 5-10% розчин. Розміщують і витримують 20 - 30 год. Перед внесенням в сік розчин желатину розбавляють до 1 % концентрації. Після додавання суспензії ферментного препарату, через 25 - 30 хв в сік вносять розчин желатину і суміш перемішують. Сік з освітлюючи ми матеріалами витримують 2 години. Оптимальна температура соку 18-20°С. Після освітлення соки піддають фільтруванню. Фільтрування на фільтрпресах проводять при тиску 0,0392-0,157 МПа через фільтруючі азбесто-целюлозні пластини або фільтр-картон марок Т, КТФ. Прозорий сік одержується лише тоді, коли на первинному фільтруючому шари азбесту викладається вторинний мілко пористий шар, який утворюється з осаду фільтруємого соку.

  Перші порції мутного соку, які виходять з фільтра, повертають назад до тих пір, поки не почне витікають прозорий сік.

  Сепарування. Використовують для видалення з соку коагуляції білкові речовини і крупні звішені частинки, для того щоб підвищити стійкість готового продукту при зберіганні і попередити утворення осаду. Сепарування проводять на сепараторах, в яких частота обертання барабана дорівнює 6500-7000 хв1. При цьому сепаратор необхідно відрегулювати так, щоб тиск соку на виході був 0,392 МПа, а продуктивність сепаратора не перевищувала 300 дм/год.

  Деаерація і підігрів. Підготовлений сік перед фасуванням піддають деаерації і підігріву. Деаерацію рекомендується проводити при температурі не вище 35°С і під остаточним тиском 8-5 кПа. Після деаерації сік підігрівають до температури на 3 - 5°С вище температури фасування і потім направляють на фасування. Обидві ці операції проводять в деаераторах.

Підготовка тари і кришок. Для фасування соку використовують скляні пляшки типу 111-48-1000 і кришки типу III. Тара повинна відповідати вимогам стандартів і технічним умовам. Підготовку тари і кришок проводять в відповідності до вимог „Инструкции по санитарной подготовке тары и крышек, используемых для фасования консервной продукции" затвердженої 29.07.1987. Пляшки миють в гарячій воді, ополіскують, обробляють гострою парою і подають на фасування. Кришки обробляють гострим паром.

  Фасування і закупорювання. Розлив соку в підготовлену тару здійснюється на автоматичному наповнювачі для відповідного розміру банки. Наповнені соком банки закупорюють на автоматичні вакуум-закупорювальній машині при залишковому тиску 47-54 кПа перевіряють на герметичність.

   Пастеризація. Після закупорювання наповненні пляшки негайно передають на пастеризацію. Пастеризацію проводять в безперервно - діючих пастеризаторах. Пляшки після пастеризації охолоджують, миють, підсушують, наклеюють етикетку, пакують в термоплівку і передають на склад готової продукції.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Розрахунково-конструкторська частина

         3.1Тепловий розрахунок апарата

         Початкові дані: Розрахувати та спроектувати кожухотрубний теплообмінник (G=1,1 кг/с) для пастеризації продукту від початкової температури t1=10 0С, до кінцевої  t2=60 0С. Продукт потрапляє у трубний простір примусово за допомогою насосу та рухається по трубах зі швидкістю w=2,0 м/с, гарячий теплоносій (гріюча водяна пара) потрапляє у між трубний простір з tп=140 0С (вертикальний) конструкція теплообмінника. Теплообмінні труби Æ30´2,5 мм (зовнішній діаметр d=30 мм, товщина стінки dст=2,5 мм), довжина труб у пучку lТ=2,5 м. Матеріал труб — мідь, товщина шару забруднення на поверхні трубок s=0,001 м, абсолютна шорсткість внутрішньої стінки трубки D=0,01. Коефіцієнт корисної дії (к.к.д) насосу h=0,8.

        Середня різниця  температур теплоносія та продукту  , 0С:

,

Dtб=tп-t1=140-10=130 0С,         (1.1)

Dtм=tп-t2=140-60=70 0С.         (1.2)

Так як (Dtб/Dtм)=1,857<2, то середній температурний напір можна знаходити з певною точністю як середньоарифметичну різницю:

0С.

   Середня температура продукту tср, 0С:

     tср=tп-Dtср=140-100=40 0С.        (1.3)

Різниця температур теплоносія та стінки Dt1, 0С:

Dt1=(R1/R)Dtср=(0,6)×100=60 0С.       (1.4)

Різниця температур стінки та продукту Dt2, 0С:

0С.                         (1.5)

           Примітка — Відношення термічного опору з боку  теплоносія до загального термічного опору R1/R=0,6 та відношення термічного опору стінок (за рахунок матеріалу стінок та забруднень) до загального термічного опору Rст/R=0,06 приймається відповідно /5/.

Температура стінки з боку теплоносія Dtст1, 0С:

tст1=tп-Dt1=140-60=80 0С.                    (1.6) Температура стінки з боку продукту Dtст2, 0С:

tст2=tср+Dt2=40+34=74 0С.                  (1.7)

Температура плівки конденсату теплоносія tпл, 0С:

tпл=0,5(tп+tст1)=0,5(140+80)=110 0С.                (1.8)

            Теплофізичні властивості плівки конденсату (при температурі плівки tпл=110 0С) (відповідно до /2/): динамічний коефіцієнт в’язкості рідини mпл=0,028×10-3 Па×с, питома теплоємність cпл=4210 Дж/(кг×К), коефіцієнт теплопровідності lпл=0,682 Вт/(м×К) та густина rпл=950 кг/м3. Питома теплота конденсації пару (при температурі tп=140 0С) r=2150×103 Дж/кг (відповідно до /2/).

Коефіцієнт тепловіддачі від граючої пари до стінок теплообмінних трубок a1, Вт/(м2×К):

                        Вт/(м2×К).                           (1.9)       

Теплофізичні властивості продукту, який нагрівається (при температурі tср=40 0С) (відповідно до /2/): динамічний коефіцієнт в’язкості mпр=0,719×10-3 Па×с, об’ємного розширення bпр=0,397×10-3 1/0С, питома теплоємність cпр=4159 Дж/(кг×К), коефіцієнт теплопровідності lпр=0,643 Вт/(м×К) та густина rпр=991 кг/м3.

             Теплофізичні властивості пристіночного  шару продукту (при температурі tст2=74 0С) (відповідно до /2/): коефіцієнт динамічної  в’язкості mст=0,4×10-3 Па×с, питома теплоємність cст=4225 Дж/(кг×К), коефіцієнт теплопровідності lст=0,669 Вт/(м×К) та густина rст=975 кг/м3.

Критерій Рейнольдса Re для потоку продукту:

                               (1.10) 

Критерія Прандтля для потоку продукту Pr та для пристіночного шару продукту Prст:

               (1.11)

                                                     (1.12)

Критерій Нуссельта Nu (для випадку розвиненого турбулентного руху рідин в трубах і каналах (Re>10000) :

 

  Nu=0,021Re0,8Pr0,43(Pr/Prст)0,25=

=0,021×689150,8×4,720,43×(4,72/2,53)0,25=355

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки теплообмінних труб до продукту a2, Вт/(м2×К):

 Вт/(м2×К)           (1.13)

Термічний опір стінки ( без врахування термічного опору забруднень) Rст, (м2×К)/Вт:

Rст = = 6,51· 10-6 (м2×К)/Вт,                     (1.14)

д	dст – товщина стінки труби, м; lст – коефіцієнт теплопровідності матеріалу теплообмінних труб

 

 

 Загальний коефіцієнт теплопередачі поміж середовищами К, Вт/(м2×К):

 

                Теплове навантаження апарату (кількість тепла, яке передається через поверхню теплообміну від теплоносія до продукту) Q, Вт:

Q=Gcпр(t2-t1)=1,1×4159(60-10)=228745 Вт.

Потрібна поверхня теплообміну F, м2:

 м2.

Витрата теплоносія (граючої пари) Gгр, кг/с:

 кг/с.       

х – коефіцієнт, який враховує теплові витрати у навколишнє середовище.

       

3.2 Конструктивний розрахунок апарата

Площа перетину всього потоку продукту (площу перетину пучка труб) f, м2:

м2,              (1.16) 

Кількість труб n1 у трубному пучку:

,                    (1.17)

приймається n1=1 теплообмінних труб у кожному ході по трубному простору.

Уточнене значення швидкості руху продукту w, м/с:

              (1.18) 

м/с.

Розрахункова довжина однієї трубки у трубному пучці L, м:

м.               (1.19)

Кількість ходів теплообмінника z:

z=L/lТ=8,63/2,5=3.45                          (1.20)

приймається z=4 ходів по трубному простору кожухотрубчатого теплообмінника.

Необхідна кількість теплообмінних труб у трубній решітці n:

n=z×n1=4*1=4 труб.                  (1.21)

Діаметр трубної решітки Dр, мм:

   мм,                 (1.22)

д	y1 – коефіцієнт заповнення трубної решітки (y1=0,6…0,8 для багатоходових по трубному простору теплообмінних апаратів); a – кут, який утворюється центральними лініями трубних рядів з горизонталлю (a=60…700).

Отриманий результат округлюємо до стандартного значення

Dр = 200 мм.

Внутрішній діаметр кожуху теплообмінника D, мм:

D= (b-1)+4d=60(5-1)+4×30=360 мм,            (1.23) 

що відповідає стандартному ряду. Приймається для виготовлення кожуха теплообмінника труба АЕ360х5 мм.

Графічно виконуємо розміщення труб у трубній решітці по периметрам шестикутників. Кількість труб, розміщених на стороні більшого шестикутника, а = 3. Загальна кількість труб у трубній решітці визначаємо за формулою : n = 3a (a – 1) + 1.

np = 3 · 3(3 – 1) + 1 = 19.

Кількість труб по діагоналям більшого шестикутника визначається за формулою: b = 2a – 1. 

b = (2 · 3) – 1 = 5.

          Живий переріз міжтрубного простору fмт, м2:

fмт = 0,785( (Dвн)2 – nр*(dн)2 ) = 0,785(0,362 – 19 · 0,032)=0,088 м2        (1.24)

За рівнянням об’ємних витрат V, м3/с:

,                                           (1.25)

визначаються діаметри патрубків d, м, для робочих середовищ:

.                                                                                   (1.26)

Діаметр патрубка для входу пару в апарат dп, м:

 м

Діаметр патрубка для виходу конденсату пару dк, м:

м.

Діаметр патрубка для входу продукту у апарат dвх, м:

м.

Діаметр патрубка для виходу продукту із апарат dвих, м:

м.

 

 

3.3  Гідравлічний розрахунок апарату

Сума коефіцієнтів місцевих опорів xм у апараті:

2*1.5+2*1+2.5(4-1)= 12,5           (1.27)

xi – коефіцієнти місцевих опорів (вхідна і вихідна камери x1=1,5, вхід в труби та вихід з них x2=1, поворот на 180 між ходами x3=2,5).

 

  Повний гідравлічний опір теплообмінного апарату DР, Па:

      

д	D – абсолютна шорсткість поверхні труб (для чистих цільнотянутих мідних труб D=0,0015…0,01

 

              (1.28)

Па

l – коефіцієнт гідравлічного тертя; xм – коефіцієнт місцевого опопору.

 

 

3.4 Розрахунки на міцність

Потужність приводу насосу N, Вт, потрібна для переміщення продукту по трубному простору теплообмінного апарату:

Вт,               (1.29)

де	V – об’ємна витрата продукту, м3/с; h – коефіцієнт корисної дії насоса.

 

V=G/rпр=1,1/991=1,11×10-3 м3/с.               (1.30)

Допустимі напруги при розрахунку по граничним навантаженням посудин та апаратів, що працюють при статичних одноразових навантаженнях, визначаються згідно ГОСТ 14249-89.

Розрахунок на міцність гладкої циліндричної обичайки кожуху, навантаженої внутрішнім надлишковим тиском, проводиться згідно ГОСТ 14249-89.

Рисунок 2	Розрахункова схема обичайки кожуху теплообмінника

 

 

Виконавча товщина стінки обичайки s, мм:

s³sр+с=0,41+1,5=1,91 мм,       (1.31)

sр – розрахункова товщина стінки обичайки, мм; с – сума збільшень до розрахункової товщини стінки, мм.

 

мм,             (1.32)

р – розрахунковий внутрішній надлишковий тиск, МПа; D – внутрішній діаметр посудини, мм; [s] – допустимі напруги для матеріалу обичайки кожуху при розрахунковій температурі стінки, МПа; jр=1,0 – коефіцієнт міцності подовжнього стикового зварного шва (обичайка кожуха не має останнього завдяки вибору для її виготовлення труби).