--PAGE_BREAK--
3.1.2 Определение температур кипения
растворов
Общий перепад давления в установке равен [11]:
,
(4)
где – общий перепад давления в установке; – давление греющего пара в первом корпусе; –давление пара в барометрическом конденсаторе.
Откуда
.
В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну, т.е. они вычисляются по формулам:
; ; ,
(5)
где – общий перепад давления в установке; – давление греющего пара в і-омкорпусе; –давление пара в барометрическом конденсаторе.
Таким образом, имеем следующие значения давления греющего пара по корпусам установки и в барометрическом конденсаторе:
;
;
;
.
В таблице 1 приведены характеристики греющих паров, найденные по известным значениям давлений этих паров [12].
Таблица 1
Характеристики греющих паров
Давление, МПа
Температура, оС
Энтальпия, кДж/кг
105
2684
95
2667
80
2642
50
2591
Физико-химическую депрессию томатных соков можно рассчитать по формуле [2, С. 67]:
,
(6)
где – концентрация сухих веществ; р – давление.
В качестве значений концентраций сухих веществ используем значения концентрации томатной пасты в корпусах, вычисленные по формулам (3). Тогда получим такие значения физико-химической депрессии томатных соков по корпусам:
Температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной депрессии , гидростатической депрессии и гидродинамической депрессии .
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Приближенно можно считать С на корпус [11]. Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:
; ; ,
(7)
где – температура вторичного пара в i-ом корпусе; – температура греющего пара в i-ом корпусе; – гидродинамические депрессии по корпусам.
Из формул (7), используя значения температур греющих паров по корпусам из табл. 1, находим:
;
;
.
По температурам вторичных паров определим такие их характеристики как давление и плотность [12].
Таблица 2
Характеристики вторичных паров
Для определения температур кипения растворов в среднем слое найдем вспомогательные характеристики.
Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов находится по формуле [2]:
,
(8)
где – высота кипятильных труб аппарата, м;
– плотность кипящего раствора, кг/м3;
– паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе) м3/м3.
Будем считать [11], что объемная доля пара в кипящем растворе приближенно равна , высота кипятильных труб м, а плотность кипящего раствора и давление вторичных паров определяется из табл. 2, тогда
Этим давлениям соответствуют температуры кипения томатного сока и теплота испарения влаги, которые приведены в табл. 3.
Таблица 3
Характеристики томатной пасты в среднем слое кипятильных труб
Поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна [11]:
,
(9)
где –поверхность теплопередачи первого корпуса; – теплота парообразования вторичного пара; – удельная тепловая нагрузка аппарата.
Для аппаратов с принудительной циркуляцией можно принять [11], а теплоту парообразования вторичного пара равной [19].
После подстановки всех значений в формулу (9) получаем поверхность теплопередачи первого корпуса равной:
.
Гидростатические депрессии по корпусам определяются по формулам [11]:
; ; .
(10)
Откуда
Сумма гидростатических депрессий равна
Температурная депрессия определяется по формуле [11]:
,
(11)
где – температура паров в среднем слое кипятильных труб; – температурная депрессия при атмосферном давлении; – теплота испарения в среднем слое кипятильных труб.
Справочные данные для формулы (11) возьмем из [19]. После подстановок получим:
Сумма температурных депрессий равна:
.
Температуры кипения растворов в корпусах определяются по формуле [11]:
, ;
,
(12)
где – температура кипения раствора в i-ом корпусе; – температура греющего пара в i-ом корпусе; – температурная депрессия; – гидростатическая депрессия; – гидродинамическая депрессия.
Таким образом, температуры кипения растворов в корпусах соответственно равны:
;
;
.
Площадь сечения потока определим по формуле [2]:
,
(13)
где – площадь сечения потока; – поверхность теплопередачи; – внутренний диаметр труб; – высота кипятильных труб аппарата.
По формуле (13) получим такую площадь сечения потока:
3.1.3 Определение полезной разности температур
Полезные разности температур по корпусам вычисляются по формуле [11]:
,
(14)
где – полезная разность температур по і-ому корпусу; – температура
греющего пара в i-ом корпусе; – – температура кипения раствора в i-ом корпусе.
По формуле (14) последовательно получаем:
Общая полезная разность температур равна:
.
Проверка найденного значения общей полезной разности температур может быть выполнена по формуле [11]:
.
(15)
Подставив все найденные ранее значения, убеждаемся в правильности сделанных вычислений:
.
продолжение
--PAGE_BREAK--
3.1.4. Определение тепловых нагрузок
Теплоемкость томатных соков определяется по формуле:
,
(16)
где – теплоемкость томатного сока; – содержание сухих веществ; – температура сока.
По формуле (16) определим теплоемкость томатного сока на разных стадиях процесса выпаривания:
теплоемкость исходного раствора начальной концентрации:
;
теплоемкость раствора в первом корпусе:
;
теплоемкость раствора в втором корпусе:
.
Скорости перехода томатной массы из корпуса в корпус определяются по формулам [2, С.70]:
из первого корпуса во второй: ;
из второго корпуса в третий: ;
на выходе из третьего корпуса: ,
(17)
где – скорость выхода томатной массы из i-ого корпуса; – скорость подачи томатного сусла в выпарную установку; – производительность по выпариваемой воде і-ого корпуса; .
Вычисления показывают, что томатная масса выходит из корпусов с такими скоростями:
;
;
.
Тепловые нагрузки на корпуса могут быть рассчитаны по формулам [2, С.71]:
;
;
,
(18)
где – тепловая нагрузка на i-ый корпус; – соответствующая теплоемкость томатной массы; – производительность по выпариваемой воде
і-ого корпуса; – скорость выхода томатной массы из i-ого корпуса; – температура томатной массы в среднем слое кипятильных труб i-ого корпуса; –теплота испарения в среднем слое кипятильных труб i-ого корпуса.
Подставив все, найденные ранее значения, в формулу (18) получаем:
;
;
.
Расход греющего пара на i-ый корпус определяется по формуле [2]:
,
(19)
а удельный расход пара для того же корпуса вычисляется так:
(кг на 1 кг воды).
(20)
По формулам (19-20) последовательно найдем:
– расход греющего пара на первый корпус;
(кг на 1 кг воды) – удельный расход пара на первый
корпус;
– расход греющего пара на второй корпус;
(кг на 1 кг воды) – удельный расход пара на второй
корпус;
– расход греющего пара на третий корпус;
(кг на 1 кг воды) – удельный расход пара на третий
корпус.
4. РАСЧЁТ И ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
4.1. Расчёт тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду по формуле [11]:
,
(21)
где – толщина тепловой изоляции; – температура окружающей среды; – температура изоляции; – коэффициент теплопроводности изоляционного материала; – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала во внешнюю среду.
Для аппаратов, работающих в закрытом помещении, температура окружающей среды может быть принята равной , а температура изоляции равной температуре греющего пара . Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала во внешнюю среду примем равным [11].
После подстановки выбранных значений в формулу (21) получим:
.
4.2 Расчёт барометрического конденсатора
Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора по формуле [11]:
,
(22)
где – расход охлаждающей воды; – производительность по выпариваемой воде третьего корпуса; – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе; – теплоемкость воды; – конечная температура смеси и конденсата; – начальная температура охлаждающей воды.
Конечную температуру воды на выходе из конденсатора принимают на ниже температуры конденсации пара. В нашем случае будем считать, что
.
По формуле (22) получим, что расход охлаждающей воды равен
.
Диаметр барометрического конденсатора определяется из уравнения расхода:
,
(23)
где – диаметр барометрического конденсатора; – производительность по выпариваемой воде третьего корпуса; – плотность паров; – скорость паров.
Скорость паров, в свою очередь, рассчитывается по формуле:
.
(24)
По формулам (23-24) поочередно получаем:
;
.
Высоту барометрической трубы определяют из уравнения [2, С.75]:
.
(25)
В результате очевидных тождественных преобразований находим:
Принимаем высоту барометрической трубы равной 11 м.
4.3. Расчёт производительности вакуум-насоса
Расчет производительности вакуум-насоса производят по формуле [11]:
,
(26)
где – производительность вакуум-насоса; – количество газа, выделяющееся из 1 кг воды; – производительность по выпариваемой воде третьего корпуса; – расход охлаждающей воды.
Откуда
Объемная производительность вакуум-насоса равна [11]:
,
(27)
где – объемнаяпроизводительность вакуум-насоса; – производительность вакуум-насоса; – универсальная газовая постоянная; – молекулярная масса воздуха; – температура воздуха; – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе.
Составные элементы формулы (27) находят так.
Температура воздуха равна:
(28)
.
Давление воздуха равно:
(29)
.
Окончательно получаем
.
5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Нержавеющую сталь используют во всех сферах деятельности человека, начиная от тяжелого машиностроения, заканчивая электроникой и точной механикой. Наиболее большее применение она нашла в строительстве и архитектуре, пищевой промышленности, бытовых приборах, химической и нефтехимической промышленности, целлюлозно-бумажном производстве, электроэнергетике, охране окружающей среды, домашнем хозяйстве, транспортном машиностроении, химической промышленности.
Практически все емкости, трубы и другое оборудование химической индустрии изготавливается из аустенитных нержавеющих сталей. Минимально допустимой маркой является 1.4404 (AISI 316L); однако, зачастую требуются высоколегированные марки с содержанием молибдена до 6%, стоимость которых значительно выше. Выбор необходимой марки определяется конечной задачей.
На сегодняшний день не так много материалов одобрены для изготовления оборудования в пищевом производстве, а так же для хранения и транспортировки пищевых продуктов, в их число входит и нержавеющая сталь, помимо нее остаются только стекло и некоторые виды пластмасс. Это обусловлено высокими требованиями по гигиене, токсичности и др.
Нержавеющая сталь признана, как наиболее гигиеническая поверхность для приготовления пищевых продуктов. Уникальность поверхности нержавеющей стали в том, что она не имеет пор или трещин для проникновения грязи и бактерий. Это свойство простой очищаемости, в сравнении с другими поверхностями, делает нержавеющую сталь первым выбором в строгих гигиенических условиях больниц, общественных кухонь, на скотобойнях, перерабатывающих предприятиях АПК и при изготовлении пищевого оборудования.
Обычно для производства оборудования пищевой промышленности используются марки нержавеющей стали AISI 304 и AISI 316; в очень редких случаях могут потребоваться высоколегированные марки.
Рассмотрим преимущества нержавеющих сталей. продолжение
--PAGE_BREAK--
Срок службы. Если анализировать полный цикл службы нержавеющих сталей — можно сказать, что это более выгодный по своим характеристикам материал.
Простота изготовления. Современные методы металлообработки подразумевают, что нержавеющая сталь может быть порезана, сварена, сформована и обработана также, как традиционные стали и другие материалы.
Сопротивление коррозии. Более низкие сорта сопротивляются коррозии в нормальных атмосферных и водных средах, в то время как более высокие сорта могут сопротивляться коррозии во многих кислотах, щелочах и некоторых хлористых растворах, присущих окружающим средам, типичным для многих обрабатывающих заводов.
Прочность. Механические свойства нержавеющих сталей позволяют снизить толщины используемых материалов, таким образом, сокращая вес без риска снижения прочностных характеристик. Аустенитные и дуплексные сорта не теряют прочности при низких температурах и при учете меньших толщин по сравнению с традиционными сортами. Таким образом, достигается существенная экономия по отношению к альтернативным материалам.
Гигиена. Правильно выбранная и используемая нержавеющая сталь требует минимального ухода. Обычно достаточно мытья теплой водой или нейтральными моющими средствами (мыло). Дезинфицирующие жидкости, содержащие хлор, или порошки абсолютно неприемлемы! Хлориды (соли) являются злейшими врагами нержавеющей стали.
Для очистки поверхностей из нержавеющей стали можно применять обычные растворители (не содержащие хлор). После этого рекомендуется ополаскивать водой.
Правильно подобранные и обработанные нержавеющие стали при надлежащем уходе являются идеальным материалом для широкого применения и гарантией того, что изделия, изготовленные из них, прослужат долгие годы.
Наиболее популярные импортные хромоникелевые стали
Сталь AISI 304. Базовая аустенитная нержавеющая сталь (аналог 08Х18Н9). Превосходные показатели по свариваемости. При длительном использовании при температуре от 450 до 850 градусов Цельсия в стали может развиваться процесс МКК. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 304L. Полный аналог стали AISI 304, но содержание углерода менее 0,03%, что гарантирует минимальную склонность к МКК даже при температуре 450-850 градусов Цельсия. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 321. Аналог стали 08Х18Н10Т. При достаточно высоком содержании углерода для защиты от МКК применяется легирование титаном. Возможно длительное использование при температура 700-800 градусов Цельсия. Данная сталь активно применяется в машиностроении и нефтехимии.
Сталь AISI 316. Данная сталь содержит 2-3% молибдена, что обеспечивает прекрасную устойчивость против коррозии в агрессивных средах. При критических температурах (порядка 800 градусов Цельсия) возникает опасность МКК. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 316L. Аналог стали AISI 316, но с содержанием углерода менее 0,03%, что обеспечивает защиту от МКК даже в диапазоне критических температур. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 316Ti. Аналог стали AISI 316, но с добавлением титана, что обеспечивает защиту от МКК даже в диапазоне критических температур 800-850 градусов Цельсия. Данная сталь активно применяется в машиностроении и нефтехимии.
Остановимся на характеристиках стали AISI 316.
Марка AISI 316 — улучшенная версия 304, с дополнением молибдена и немного более высоким никелевым содержанием. Данная композиция AISI 316 значительно повышает коррозионное сопротивление в большинстве агрессивных средах. Молибден делает сталь более защищенной от питтинговой и щелевой коррозии в хлористой среде, морской воде и в парах уксусной кислоты. Более низкий показатель общей коррозии в слегка коррозионных средах дает хорошее коррозионное сопротивление в загрязненной и морской атмосфере.
316-я обладает более высокой прочностью и имеет лучшее сопротивление ползучести в более высоких температурах, чем AISI 304. AISI 316 также обладает отличными механическими и коррозионными свойствами в поднулевых температурах.
Когда есть опасность коррозии в околошовных сварных зонах, должна быть использована низко-углеродная марка — AISI 316L. AISI 316Ti стабилизированная титаном
версия, используется для сопротивления сенсибилизации в течение продолжительного времени в температурном диапазоне 550 — 800°C.
Таблица 5
Химический состав (ASTM A240)
Типичные свойства в отожженном состоянии:
Свойства, указанные в этой публикации типичны для производства одного из заводов и не должны быть расценены как гарантируемые минимальные значения для целой спецификации.
Таблица 6
Механические свойства при комнатной температуре
Продолжение таблицы 6
Таблица 7
Предел прочности при повышенных температурах
Таблица 8
Минимальные величины предела упругости (ползучесть) при высокой температуре (деформация в 1 % за 10 000 часов)
Максимум, рекомендованных температур обслуживания (условия окисления):
непрерывное воздействие 925°C
прерывистые воздействия 870°C
Таблица 9
Свойства в низких температурах (AISI 316)
Таблица 10
Сопротивление коррозии в кислотных средах
Код:
0 = высокая степень защиты — Скорость коррозии менее чем 100 mm/год;
1 = частичная защита — Скорость коррозии от 100m до 1000 mm/год;
2 = non resistant — Скорость коррозии более чем 1000 mm/год.
Таблица 11
Атмосферные воздействия*
*Сравнение 316-й марки с другими металлами в различных окружающих средах (скорость коррозии рассчитана при 10-летнем подвержении).
Рассмотрим свойства стали 3 (СТ 3, СТ3) — сталь конструкционной углеродистой.
Таблица 12
Характеристика стали 3 (СТ 3, СТ3)
Марка:
СТ3
Заменитель:
ВСт3сп
Классификация:
Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества
Применение:
несущие и ненесущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах. Фасонный и листовой прокат (5-й категории) толщиной до 10 мм для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках в интервале от —40 до +425 °С.Прокат от 10 до 25 мм — для несущих элементов сварных конструкций, работающих при температуре от —40 до +425°С при условии поставки с гарантируемой свариваемостью.
Таблица 13
Химический состав в % материала стали 3 (СТ 3, СТ3)
P
Cr
Cu
As
до 0.04
до 0.3
до 0.3
до 0.08
Таблица 14
Температура критических точек стали 3 (СТ 3, СТ3)
Ac1=735, Ac3(Acm)=850, Ar3(Arcm)=835, Ar1=680
Таблица 15
Механические свойства при Т=20oС стали 3 (СТ 3, СТ3)
Сортамент
Размер
Напр.
sв
sT
d5
y
KCU
Термообр.
–
мм
–
МПа
МПа
%
%
кДж / м2
–
Прокат горячекатан.
до 20
370-480
245
26
Состояние поставки
Прокат горячекатан.
20-40
235
25
Состояние поставки
Таблица 16
Технологические свойства стали 3 (СТ 3, СТ3)
Свариваемость:
без ограничений.
Флокеночувствительность:
не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:
не склонна.
Таблица 17
Обозначения
Продолжение таблицы 17
Учитывая рассмотренные выше положительные характеристики стали марки
AISI 316, рекомендуем ее в качестве конструкционного материала для камеры выпаривания. Для кипятильных труб и кожуха рекомендуем сталь марки № 3 СТ. продолжение
--PAGE_BREAK--