Расчет охладителя жира пластинчатого типа

 

 

2. Механизм действия процесса охлаждения

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики.  Тепло передается без затраты работы извне только от тел с высшей температурой к телам с низшей температурой. Это положение является основным для осуществления передачи тепла, так как согласно второму закону термодинамики переход тепла от тела с низкой температурой к телу, обладающему более высокой температурой, без затраты механической энергии невозможен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 3. Расчет и проектирование

3.1 Конструктивное  решение теплообменного процесса

Определяющей особенностью устройства пластинчатых теплообменных аппаратов является конструкция и форма поверхности теплообмена и каналов для рабочей среды. Поверхность теплообмена образуется из отдельных пластин, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи.

Пластины располагают параллельно друг другу, причем между рабочими поверхностями двух смежных пластин создается небольшой зазор, образующий канал для рабочей среды, подвергаемой нагреванию или охлаждению.

Уже на основании общего принципа конструирования пластинчатого теплообменника можно сделать заключение о некоторых его особенностях, весьма важных для практики. Малая толщина пластин и параллельная расстановка с малыми промежутками между пластинами позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно с такой «плотностью», которая недостижима в других типах жидкостных теплообменников.       Аппарат состоит из группы теплообменных пластин, подвешенных па верхней горизонтальной штанге. Концы верхней и нижней штанг закреплены в неподвижной плите и на задней стойке. При помощи нажимной плиты  и винта пластины в собранном состоянии сжаты в один пакет. На схеме для более ясного изображения потоков рабочих сред показано только пять пластин в раздвинутом положении. В рабочем положении пластины плотно прижаты друг к другу на резиновых прокладках.    Каждая пластина имеет прокладки двух назначений: большая резиновая кольцевая прокладка, ограничивающая на лицевой стороне пластины канал для соответствующего потока рабочей среды и охватывающая также два угловых отверстия (с одной стороны пластины или по диагонали), через которые происходит приток среды в межпластинный канал и сток из него и две малые резиновые прокладки, изолирующие два остальных отверстия и создающие транзитный проход для второй рабочей среды.            Система уплотнительных прокладок разборного пластинчатого теплообменника построена так, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются две системы герметичных каналов, изолированных одна от другой металлической стенкой и прокладками: одна для горячей рабочей среды, другая для холодной. Одна из этих систем состоит из нечетных каналов между пластинами, а другая из четных, благодаря чему потоки горячей и холодной рабочих сред чередуются. Обе системы межпластинных каналов соединяются со своими коллекторами и далее со штуцерами для входа и выхода рабочих сред, расположенными на плитах.

Конструктивные параметры подобрали по расчетам и подбору рациональных размеров основных величин:

- зазор между  пластинами;

- длина пластин;

- ширина пластин;

- число параллельных  пластин;

- кратность воды.

 

3.2 Анализ факторов, принятые допущения

Преимуществами пластинчатых охладителей являются:

- низкая стоимость  по сравнению с другими типами  теплообменников (достигается за счет улучшения массогабаритных характеристик, оптимизации производственных издержек и высокой технологичности производства);            - высокие эксплуатационные характеристики (повышенный коэффициент теплоотдачи, низкая интенсивность накопления отложений, пониженное гидравлическое сопротивление);       - надежность (производят с запасом прочности, гарантия на оборудование от 1 года);          - износостойкость (устойчивость к коррозии, длительный срок эксплуатации до 20 и более лет);

- легкость техобслуживания;

         - высокая компактность(возможность использования в малых помещениях).         Недостатками  пластинчатых охладителей являются:

- малая тепловая инерционность;

         - высокая стоимость комплектующих (стоимость прокладок, требующих периодической замены, может превышать 50% стоимости теплообменника, в процессе эксплуатации уплотнения изнашиваются, трескаются или ссыхаются, они также повреждаются при очистке теплообменника);

- требуют периодической  промывки специальными составами (дорогостоящими) для очистки отложений;       - более высокое гидравлическое сопротивление (по сравнению с кожухотрубным теплообменником), что требует более мощных насосов

- плохая ремонтоспособность (при замене поврежденной пластины  требуется полная разборка теплообменника)

-нестабильность (ухудшение) характеристик (коэффициент  теплопередачи, гидравлические потери) от жесткости воды.

При неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса.

        3.3 Разработка математической модели  процесса охлаждения жира

Общий тепловой баланс Q:

           Q= Мж · сж (tж1- tж2 )=Мр · рв (tр2- tр1)  ,                          (2.1)

где   Мр= Мж · n.

Суммарная ширина пластин S, м:

              S=z · (b-0,0083 · b)    ,                                                     (2.2)

где   z - число параллельных пластин, шт;

       b – ширина пластины, м.

Характерный размер l, м:

                         l=δ ·2          ,                                                        (2.3)

где   δ - зазор между пластинами, м.

Массовый расход воды Мв, кг/с:

                                  Мв=Мж·Кр             ,                                         (2.4)

где  Мж – массовый расход жира, кг/с;

        Кр – кратность расхода воды.

Диаметр патрубков d, см:

                             d=√((4·Мж/π·0,5·Рхв))   ,                                  (2.5)

где  Рхв – плотность холодной воды,

Рабочая поверхность пластины F,кг/м3:

      F=(b-2·0,0083·b)-(l-2·Q-4·0,044·l) ·1,07 ,                              (2.6)

где  Q – тепловой поток, Вт.

Общая площадь S, м2:

                       S=l·b·1,07         ,                                                    (2.7)

где   l – длина пластины, м;

        b – ширина пластины, м.

Тепловой поток Q, Вт:

                  Q=Мж·Сж· (tгж-tох)   ,                                                   (2.8)

где   Мж – массовый расход жира Мж, кг/с;

        Сж – теплоемкость горячего жира Сж, Дж/кг̊С;

        tгж – начальная температура горячего жира ̊С;

        tох – конечная температура охлажденного жира ̊С.

Конечная температура нагретой воды tк, ̊С:

                        tк=tхв+Q/(Мв·Св)                     ,                             (2.9)

где   tхв – начальная температура холодной воды,̊С;

        Q – тепловой поток, Вт;

        Мв – массовый расход воды, кг/с;

        Св – теплоемкость холодной воды, Дж/(кг̊С).

Средняя температура жира tср.ж., ̊С:

                                    tср.ж.=(tгж+tох)/2    .                                      (2.10)

Средняя температура воды tср.в., ̊С:

                                 tср.в.=(tхв+tк)/2         .                                        (2.11)

Максимальная разность температур Δtmax , ̊С:

                                          Δtmax=tгж-tхв    .                                      (2.12)

Минимальная разность температур Δtmin, ̊С:

                                        Δtmin=tох-tk  .                                             (2.13)

Средняя разность температур  Δtср , ̊С:

                          Δtср=(Δtmax-Δtmin)/Ln(Δtmax/Δmint)  ,                           (2.14)

где  Δtmax - максимальная разность температур, ̊С;

            Δtmin - минимальная разность температур, ̊С.

Вязкость горячего жира Vгж , м2/с:

                                  Vгж =0,0195/Ргж  ,                                         (2.15)

где  Ргж  - плотность горячего жира, кг/м3.

Вязкость холодной водыVхв ,м2/с:

                 Vхв=(0,0178/(1+0,0337·tхв+0,000221·tхв2)) ·10-4 ,           (2.16)

 Коэффициент Прандтля для  жира Pr:

                                 Pr=(Cж·Vгж)/λгж  ,                                          (2.17)

где  Cж  - теплоемкость горячего жира, Дж/(кг̊С);

       Vгж - вязкость горячего жира, м2/с;

        λгж  - коэффициент теплопроводности горячего жира, Вт/(м·К).

Коэффициент Прандтля для воды Pr:

                                      Рr=(Cв·Vхв·Рхв)/λхв   ,                                   (2.18)

где  Cв - теплоемкость холодной воды, Дж/(кг·̊С);

       Vхв – вязкость холодной воды, м2/с;

       Рхв – плотность холодной воды, кг/м3;

       λхв – коэффициент теплопроводности холодной воды, Вт/(м·К).

Скорость жира Vж, м/с:

                                      Vж=Мж/(δ·S·Ргж) .                                     (2.19)

Скорость воды Vв, м/с:

                                   Vв=Мв/(δ·S·Рхв) .                                          (2.20)

Критерий Рейнольдса для жира Re:

                                      Re=Vж·l/Vгж .                                             (2.21)

Критерий Рейнольдса для воды Re:

                                      Re=Vв·l/Vгж  .                                             (2.22)

Критерий Нуссельта для жира Nu:

                        Nu=0,135·Re0,73·Pr0,43·0,95 .                                    (2.23)

Критерий Нуссельта для воды Nu:

                        Nu=0,135·Re0,73·Pr0,43·1,05 .                                     (2.24)

Коэффициент гидравлического сопротивления для жира λж :

                                 λж=11,2/Re0,25  .                                                                                 (2.25)

Коэффициент гидравлического сопротивления для воды λв :

                                           λв=11,2/Re0,25  .                                                (2.26)

    Коэффициент теплоотдачи для жира αгж , Вт/(м2· К):

                                                αгж=Nu·λгж/l .                                          (2.27)

Коэффициент теплоотдачи для воды αхв  , Вт/(м2·К):

                                              αхв=Nu·λхв/l .                                                (2.28)

Коэффициент теплопередачи для жира k, Вт/(м2 ·К):

                   k=1/(1/αгж+1/αхв+(δст/ λст+δ1/λ1+δ2/λ2)  ,                      (2.29)

где  αгж – коэффициент теплоотдачи для жира Вт/(м2 ·К);

             αхв – коэффициент теплоотдачи для воды Вт/(м2 ·К);

       δст - толщина стенки, м;

       λст – коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·К);

      δ1 - толщина накипи со стороны жира, м;

       λ1 – коэффициент теплопроводности со стороны жира, Вт/м·ºC;

       δ2 - толщина накипи со стороны воды, м;

       λ2 - коэффициент теплопроводности со стороны воды, Вт/м·ºC.

Площадь теплообмена F,м2 :

                                F=Q/(Δtср·k)  ,                                                  (2.30)

где  Q - тепловой поток, Вт;

       Δtср - средняя разность температур, ºC;

            k - коэффициент теплопередачи для жира , Вт/(м2 ·К).

Фактическая площадь Sфакт, м :

                              Sфакт=l·b·N ,                                                      (2.31)

где   l - длина пластины, м

        b - ширина пластины , м;

       N - округленное количество пластин ,шт.

Длина пластины L, м:

                                    L=Fт/S  ,                                                     (2.32)

где Fт - площадь теплообмена ,м2;

     S - суммарная ширина пластин, м.

Потери напора на трение жира Птр.ж.,Па: