--PAGE_BREAK--
2.1 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Исходный разбавленный раствор из сборника 11 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 12, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем в выпарной аппарат 9, из которого упаренный раствор поступает в сборник 7, откуда центробежным насосом 8 подается потребителю. Выпарной аппарат и теплообменник обогреваются греющим паром из котельной.
Вакуум в выпарном аппарате создается за счет конденсации вторичных паров, поступающих в низ выпарного аппарата, при их охлаждении водой в кожухотрубном конденсаторе 3 и отсоса неконденсирующихся газов вакуум-насосом 5. Для исключения попадания в вакуум – насос капель воды перед ним устанавливается ловушка 2. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи трубы с гидрозатвором 4. Конденсат греющих паров из выпарного аппарата и теплообменника выводится через конденсатоотводчики и направляется в котельную или на технологические нужды.
2.2 МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЁТ УСТАНОВКИ
Основные уравнения материального баланса:
(2.1)
(2.2)
где , — соответственно производительность установки по исходному и готовому продукту, кг/с;
, — соответственно начальное и конечное содержание сухих веществ в молоке;
W– производительность установки, кг/с.
Производительность установки по исходному продукту определяем по уравнению материального баланса:
Gн= W/(1-хн/хк) = 0,194/(1-9/44) = 0,244кг/с,
Производительность установки по готовому продукту:
Gк= Gн-W= 0,244-0,194= 0,05кг/с=180кг/ч.
Материальный баланс выпаривания
Таблица 2.1
2.3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ АППАРАТА
Уравнение теплового баланса выпарного аппарата
(2.3)
где D– расход греющего пара;
r– удельная теплота конденсации греющего пара при Рг.п.=0,11 МПа
r= 2264 кДж/кг;
Сн – 3,36 кДж/кг·К – удельная теплоемкость молока, поступающего на выпаривание; [2, стр.134]
tкип– температура кипения молока;
tн= 650С – температура, с которой молоко поступает на выпарку;
hвт– энтальпия вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата.
Определим температуру кипения молока в трубах калоризатора.
Давление вторичного пара в кожухотрубном конденсаторе:
Р0=Раб – Рвак = 0,101-0,086=0,015 МПа,
где Раб = 0,101 МПа – атмосферное давление;
Рвак = 0,086 МПа – вакуммометрическое давление в конденсаторе (принимаем).
Температура насыщения вторичного пара в конденсаторе
t= 53,60C[4, стр.549]
Температура насыщения вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата
,
где Δtг.с– гидравлическая депрессия, принимаем Δtг.с.=10С (из практических данных).
Конечная температура раствора (т.е. температура кипения молока в сепараторе)
где Δtдепр.– температурная депрессия, принимаем Δtдепр= 20С. [4, стр.535]
Средняя температура кипения раствора в трубах
где Δtг.эф– депрессия гидростатического эффекта – представляет собой повышение температуры кипения раствора вследствие дополнительного давления столба жидкости по сравнению с давление в сепараторе.
Давление при кипении раствора на среднем уровне
где р1 – давление вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата при t=54,60CP1= 0,0154 МПа.
ρр=1048 кг/м3 [2, стр.131] – плотность молока;
Нур – высота слоя раствора без учета наличия паровых пузырей в кипящем растворе.
где и — соответственно плотности раствора конечной концентрации и воды при средней температуре кипения , . Так как не известно, то принимаем .
=987кг/м3.
— рабочая высота труб, принимаем (выбираем из стандартного ряда).
.
Тогда tср= 64,80С, значит
Δtг.эф=tср-t1=64,8-54,6=10,20С
tкип=56,6+10,2=66,80С
Суммарные депрессионные потери
Полезная разность температур
,
где Δtобщ= tг.п.–t= 99,1-53,6=45,50С – общая разность температур;
tг.п.= 99,1 0С при Рг.п.=0,11 МПа [4, стр.549].
Таким образом, расход греющего пара
где hвт= 2598 кДж/кг при t1= 54.60C.
Расчётная площадь поверхности теплообмена
Принимаем коэффициент теплопередачи К=1000 Вт/м2·К (с последующим уточнением).
Уточняющий расчет коэффициента теплопередачи
,
где a1и a2 — коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенки к раствору;
S(di/li) – тепловое сопротивление стенки.
,
где dст = 0,002 м – толщина стенки трубки;
lст= 17,5 Вт/м×К – теплопроводность нержавеющей стали [4,c.529];
1/r-тепловое сопротивление загрязнений труб (накипи) = 5800 Вт/м2·К.
S(di/li) = 0,002/17,5 + 2/5800= 4,6×10-4 м2×К/Вт.
Коэффициент теплоотдачи от греющегопара к стенке трубки:
где r1– теплота конденсации греющего пара, r= 2264 кДж/кг;
mж1= 0,254×10-3 Па×с – вязкость конденсатапри средней температуре пленки[4,c.537];
lж1= 0,682 Вт/м×К – теплопроводность конденсатапри средней температуре пленки;
rж1= 951 кг/м3 – плотность конденсатапри средней температуре пленки;
Dt1– разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем Dt1= 2°C;
Н = 4 м – высота нагревательных трубок.
Температура пленки
a1= 2,04(0,6823×9512×2264000/0,254×10-3×2×4)0,25 = 8625Вт/м2×К.
Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока:
, тогда
Dtст= a1Dt1S(d/l) = 8625×2×4,6×10-4 =7,9°С– перепад температур на стенке;
Dt2= Dtпол – Dt1– Dtст= 13,2– 7,9– 2 =3,3°С– разность между температурой кипения раствора.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему растворудля пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии принудительной циркуляции:
a2= Aq0,6
,
где l2= 0,717 Вт/м×К – теплопроводность молока[2 c. 132];
r2= 1048кг/м3 – плотность молока[2,c. 131];
rп= 0,099кг/м3 – плотность пара при tвт.п.= 54,60С;
s2= 0,086 Н/м – поверхностное натяжение молока[2c.132];
c2= 3,36кДж/кг×К – теплоемкость молока;
m2= 0,77×10-3 Па×с – вязкость молока[2 c. 132].
A=780×0,7171,3×10480,5×0,0990,06/0,0860,5×22640000,6×0,5790,66×33600,3×(0,77×10-3)0,3= 16,08,
a2= A(a1Dt1)0,6 = 16,08*(8625×2)0,6 = 5602Вт/м2×К.
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
q/= a1Dt1 = 8625*2 = 17250 Вт/м2,
q//= a2Dt2 = 5602*3,3 = 18487 Вт/м2.
q1»q2
Коэффициент теплопередачи:
К = 1/(1/8625+ 4,6×10-4 + 1/5602) = 1335Вт/м2×К.
Требуемая поверхность теплообмена:
F= Q/KDtп= /1335×32,3=9,24 м2.
2.4 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ АППАРАТА
Число нагревательных трубок:
n= F/pdcpНтр,
где dcp= 0,036 м – средний диаметр трубки.
n= 9,24/3,14*0,036×4,0 = 20шт.
Диаметр корпуса аппарата:
,
где t– шаг между трубками t= dн·1,25=0,038*1,25=0,0475;
a= 60°– при размещении труб по вершинам правильных треугольников;
y= 0,85– коэффициент использования трубной доски;
dн= 0,038 м – наружный диаметр трубок;
D= ((1,27×0,04752sin60°×20/0,85)+(2*0,0475)2)0,5 = 0,259м.
Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 0,3м.
Диаметр циркуляционной трубы:
D2= (Sц.т.·4/π)0,5 = (0,011*4/3,14)0,5 = 0,11м,
где Sц.т.– площадь сечения циркуляционной трубы
Sц.т.= 0,3 Sтр=0,3*0,037=0,011м2,
где Sтр= S1тр·N=
Sтр– площадь сечения всех трубок.
Принимаем D2= 0,15м.
Скорость движения яблочного сока в трубах
где V=Gн/ρн=0,214/1048=0,00020 м3/с.
Скорость движения жидкости в аппарате
w/=w·N=0.0027*20=0.054м/с.
Расчётная длина трубок
Принимаем l
/=1м.
Выбор размещения трубок в трубной решетке:
При размещении трубок необходимо обеспечить максимальную компактность, плотность и прочность их крепления, простоту разметки, изготовления трубной решетки и сборки трубного пучка. Этим требованиям отвечает разметка труб по вершинам правильных шестиугольников.
Число труб по диагонали
На стороне шестиугольника
Толщина трубной решетки (стальной)
Определим размеры парового пространства
Паровой объём выпарного аппарата над раствором должен обеспечить достаточно полное отделение вторичного пара от капель упаренного раствора. Необходимый объём парового пространства
где σ – допустимое напряжение парового пространства.
σ = f1·f2·σатм=1,75*0,53*700=649,25кг/м3·ч,
где f1 =1,75 и f2 =0,53 – коэффициенты, зависящие от давления вторичного пара в паровом объеме и от уровня раствора над точкой ввода парожидкостной смеси.
σатм – значение допустимого напряжения парового пространства,
σ=700 кг/м3·ч.
Высота парового пространства
Определим диаметры штуцеров
— для входа греющего пара
dг.п.=
Принимаем d= 0.5 м
— для выхода конденсата
dк=
Принимаем d= 0.04 м.
— для выхода вторичного пара
dвт=
— для входа молока
dн.яс.=
Принимаем dн.яс.=0,012 м.
— для выхода молока dк.яс.=
Принимаем dк.яс.=0,014 м.
2.5 РАСЧЁТ КОМПЛЕКТУЮЩЕГО ОБРУДОВАНИЯ
2.5.1 РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБНОГО КОНДЕНСАТОРА
В конденсаторе происходит конденсация вторичного пара молока, поступающего из емкости исходного продукта. Вторичный пар поступает в кожухотрубный конденсатор при Рвт=Р0=0,015 МПа, температура насыщения пара t=53,60С, удельная теплота конденсации r= 2372 кДж/кг.
Тепловая нагрузка конденсатора
.
Начальная температура молока, поступающего из емкости исходного продукта
что не возможно.
Так как по уравнению топливного баланса кожухотрубного конденсатора получили нереальную температуру молока, следовательно, на конденсацию идет не весь вторичный пар, а только его часть, принимая температуру молока из накопительной емкости равную 100С, определим количество вторичного пара, который идет на конденсацию.
Оставшийся пар в количестве
идет на побочные нужды производства.
Средняя разность температур
Определим ориентировочный коэффициент теплопередачи Кор=60 Вт/м2·К.
Ориентировочное значение поверхности, где
Задаваясь критерием Рейнольдса Re= 10000, определим отношение n/zдля конденсатора из труб диаметром dн=25х2 мм.
,
где n– общее число труб;
z– число ходов по трубному пространству.
Соотношение n/zпринимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха Dкож= 325 мм, диаметром труб 25х2 мм, числом ходов z=1 и общим числом труб n=62, длина труб L= 2 м.
Действительное число Рейнольдса
Коэффициент теплоотдачи к молоку
где λc= 0,556 Вт/м·К– теплопроводность молока;
Pr– критерий Прандтля при tвср= (10+36)/2=230С
.
Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке вертикально расположенных труб
где λк = 0,652 Вт/м·К – теплопроводность конденсата при t= 53.60C;
ρк = 986,2 кг/м3 – плотность конденсата при t= 53.60C;
μк = 520*10-6 Па·с – динамическая вязкость конденсата при t= 53.60C.
Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны молока и пара
Коэффициент теплопередачи
Требуемая поверхность теплопередачи
Конденсатор с длиной труб 2 м и площадью 6 м2 подходит с запасом.
2.5.2 РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ
1. Определяем среднюю температуру продукта (молока) в подогревателе:
tм = 0,5(tн1 + tн2)
tм = (100,2+8)/2 = 54,1°С.
2. Из таблицы 11[1] определяются физические свойства молока при tм:
ср = 3,875 кДж/(кг*К),
ρ = 1014 кг/м3,
λ = 0,593 Вт/(м*К),
ν = 0,76*10-6 м2/с,
Ρr = 5.
3. По таблице 11.2 [6] по давлению водяного пара Р определяем характеристики насыщенного пара:
энтальпия пара ί″= 2707 кДж/кг,
энтальпия конденсата ί′ = 504,8 кДж/кг.
4. Количество тепла, необходимое для подогрева продукта (молока) до заданной температуры, т. е. до 100,2°С:
Q= G*cр*(tк2 – tн2)φn, кВт,
Q = 0,244*3,875*(100,2-8)*1,04 = 1248,5 кВт,
где φn– поправочный коэффициент, φn= 1,03-1,05.
5. Средний логарифмический напор, создаваемый в теплообменнике между горячим и холодным теплоносителями рассчитывается:
Δtср= (Δtб– Δtм)/2,3lg(Δtб/Δtм),
где Δtб = t1н – t2н = 130-8 = 122°С, Δtм = t2к - t1н = 100,2 – 100 = 0,2°С.
Δtср = (122 – 0,2)/(2,3lg122/0,2) = 18,98 ≈ 20°С.
6. Задаем скорость движения продукта в трубах при условии, что скорость движения в трубах лежит в пределах ω = (0,6-1,5), м/с:ω′ = 1м/с.
7. Задаем наружный и внутренний диаметры трубок, учитывая, что внутри трубок протекает продукт, а снаружи трубки омываются паром:
dн = 35 мм, dвн = 25 мм.
8. Определяем необходимое количество трубок для обеспечения данной скорости продукта в одном ходу:
n′ = 1,27*G/dвн2*ω′*ρ
n′ = 1,27*3,36 / (0,025)2 *1*1014 = 4,2672/0,634 = 6,73.
Значение n′ округляем до целого десятка n= 10 трубок.
9. Уточняем скорость движения продукта по трубам по округленному числу n:
ω = 3600*G/2825* dвн2 * ρ, м/с,
ω = 3600*3,36 / 2825*(0,025)2 *1014*10 = 12096/17903,4 = 0,68 м/с.
10. Определяем значение коэффициента теплоотдачи молока α2:
α2= Νu*λ/dвн,
Νu= 0,0225*Re0,8* Pr0,4,
Re= ωdвн/ν,
Re= 0,68*0,025/0,76*10-6 = 22368 > 10000, следовательно, имеет место турбулентный режим.
Νu = 0,0225*(22368)0,8 * 50,4 = 129,014,
α2 = 129,014*0,593 / 0,025 = 3060,2 Вт/(м2 *К) = 3,06 кВт/(м2*К).
11.Необходимая поверхность для нагрева продукта с учетом возможности загрязнений:
F= Q/ α2* Δtср * ήз,
где ήз– коэффициент загрязнений (ήз= 0,7-0,9),
F = 1248,5 / 3,06*20*0,8 = 1248,5/48,96 = 25,5 м2.
Выбираем тип теплообменника ТК ГОСТ 15118-79 для нагревания – охлаждения.
12.Исходя из того, что длина теплообменника лежит в пределах 1,5-4 м, для компоновки трубного пучка принимается число ходов продукта по трубам подогревателя, число ходов может быть 2, 4, 6 (в первом приближении принимается произвольно). Пусть Zм = 6.
13.Средняя длина трубки одного хода:
l´ = F / π* dн* Zм, м,
l´ = 25,5 / 3,14*0,035*10*6 = 25,5/6,594 = 3,9 м.
14.Расход пара на подогрев продукта составляет:
Gп = Q / (ι″ — ι′) * x, кг/ч,
где x – сухость водяного пара.
Gп = 1248,5 / (2707-504,8)*0,9 = 0,63 кг/с.
15.Число отверстий под трубки в трубной доске:
N0= Zм*n,
N0= 10*6 = 60 отверстий.
16.Число труб, размещенных на диаметре трубной решетки (наибольшей диагонали шестиугольника):
nd = 3√ (4Fр / 3t*f*β),
где β – отношение высоты или длины теплообменника к его диаметру:
β = Н/D = L/D, β = 3-5, примем β = 3;
t- шаг размещения трубок, м.
nd = 3√ 4*25,5 / 3*0,044*0,144 = 3√ 5368 = 17,51 ≈18.
17.Внутренний диаметр корпуса:
Dв = N0* dн,
Dв = 60*0,035 = 2,1 м.
Пусть трубки на трубной решетки закреплены сваркой, тогда t = 1,25dн,
t = 1,25*0,035 = 0,044 м.
f – поверхность одного метра трубы принятого диаметра, м2:
f = 2πr(r+h)/3 = 2*3,14*0,0175*(0,0175+3,9)/3 = 0,144.
18.Внутренние диаметры кожухов, изготовленных сваркой, рекомендуется принимать от 400 до 3000 мм через каждые 200 мм. Если корпус выполняется из труб, то наружный диаметр выбирают равным 159, 273 или 325 мм. Пусть внутренний диаметр кожуха равен 3000 мм = 3 м, а наружный корпуса – 325 мм = 3,25 м.
19.Общее число труб, размещаемых в пределах правильного шестиугольника,
n = 0,75(nd2 – 1) + 1,
n = 0,75*(182 — 1) + 1 = 243,25 ≈ 244.
20.Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника для многоходового теплообменника:
Dвн = 1,1t √ n/η, где η = от 0,6 до 0,7.
Dвн = 1,1*0,044*√ 244/0,6 = 0,05*20,14 = 1,007 м
21.Полная высота теплообменника, м:
Н = l + 2δ +2h,
где δ – толщина трубной решетки, м; h – высота предтрубной камеры, м; конструктивно принимают от 200 до 400 мм, примем h = 300 мм = 0,3м.
Н = 3,9 + 2*1,26*10-3 + 2*0,3 = 3,9 + 2,52*10-3 + 0,6 = 4,5 м.
22.Число ходов в межтрубном пространстве:
Ζмтр= 0,785[(Dвн– ndн2)ρωмтр] / Gмтр,
где Sмтр– проходное сечение межтрубного пространства кожухотрубного аппарата (без перегородок), м2:
Sмтр= 0,785(Dвн2 – ndн2),
Sмтр= 0,785( 1,0072 – 244*0,0352) = 0,56 м2,
S – живое сечение прохода теплоносителя, м2:
S = G/ωρ,
S = 3,36/0,68*1014 = 0,005 м2.
h = 0,56 / 1,007*(1 – 0,035/0,005) = 0,093 м= 93 мм.
Ζмтр = 0,785[(2,12 – 244*0,0352)1014*0,68] / 3,36 = 0,785*2834,62/3,36 = 662.
23. Расстояние между сегментными перегородками межтрубного пространства:
h= Sмтр/[D(1 – dн/S)],
продолжение
--PAGE_BREAK--