Курсовой проект
На тему:
''Проект спиральноготеплообменника"
Могилев 2005
Введение
Виноградныйсок изготавливают натуральный, неподслащенный прозрачный. Сырье должнообеспечить содержание сухих веществ в соке разных товарных сортов не менее 14–16%;кислотность по винной кислоте -0,2–1,0%. Сахарокислотный желателен в пределах22–28. В зависимости от товарного сорта в соке допускается от 0,05 до 0,15%осадка.
Хороший сокдает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия, Сильванер,Ркацетели, Кокур, Саперави, Воскеат и др.
Виноград моютв вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагус поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребниперед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ,придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестведренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкциейпресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужно обязательноудалять.
Выход сока всреднем составляет (в % от массы мезги) 72,3 – -63,6% сока самотека и 1 фракциии 20,2% сока 2 фракции и 3 фракции.
Отжатыйвиноградный сок процеживают и центрифугируют. Выдержка сока полуфабрикатапроизводится в тканях, с целью удаления винного камня и самоосветление сока.Виноградный сок содержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собойненасыщенный раствор или пересыщенный раствор. В процессе хранения сока принарушении равновесия, выпадают кристаллы винного камня, это портит внешний видсока и особенно не допустимо при использовании продукта для питания детей. Спонижением температуры хранения растворимость винного камня падает, чтоускоряет кристаллизацию.
После 2–3 мес.хранения выпадает винный камень, сок само осветляется и его подвергаютдальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до70–80°С,фильтруют на фильтр-прессе через фильтр-картон, фасуют в герметическиукупориваемую тару и стерилизуют при 75–850С с последующим водянымохлаждением.
Придекантации сока остается отстой, составляющий 4–8% к массе исходного сырья. Сокиз отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1–2%.
Производствовиноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать ирасфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичностьработы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное еепотребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовуюпродукцию через несколько суток после заготовки сока.
Ускоренные схемыпозволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовкисока и сочетать стабилизацию тартратов в растворе или их быстрое осаждение сосветлением сока.
1. Состояниевопроса
Целью данногокурсового проекта является подбор спирального теплообменника, который необходимпри производстве виноградного сока.
Расчеттеплообменного аппарата включает определение необходимой поверхноститеплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции,удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.
Теплообменникаминазывают аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средаминезависимо от их технологического или энергетического назначения(подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители идр.). Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычноразличаются собственно теплообменники, в которых передача тепла являетсяосновным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательнуюроль.
По способупередачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие средынепосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностныетеплообменника – рекуператоры, в которых тепло передается через поверхностьнагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.
По основномуназначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
В зависимостиот вида рабочих сред различаются теплообменники:
1) жидкостно-жидкостные– при теплообмене между двумя жидкими средами;
2)парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровыеподогреватели, конденсаторы);
3)газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники длявоздуха и др.).
По тепловомурежиму различаются теплообменники периодического действия, в которыхнаблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия сустановившимся во времени процессом. В теплообменниках периодического действиятепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта.Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процессанепрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени. При непрерывномпроцессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата,оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процессхарактеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред,протекающих через теплообменник.
В качестветеплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретыйводяной пар. Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применениеи выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей(продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокойтемпературы. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен иотличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя.
Общимнедостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления сповышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевыхпроизводств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150–1600С,что соответствует давлению (5–7)∙105 Па.
В отдельныхслучаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, которыйпозволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 2000С.
Длянагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразныхконструкций.
Эти аппаратыимеют цилиндрические, сферические или плоские двойные стенки – водяные илипаровые рубашки, через которые происходит теплообмен.
Многотрубныйтеплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическуюкамеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубнымпространством.
При небольшихрасходах рабочих жидкостей число трубок в ходу может быть уменьшено в пределедо одной. Однотрубные теплообменники составляются из отдельных элементов типа«труба в трубе», каждый элемент состоит из двух труб, вставленных одна вдругую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно.
Погружнойтрубчатый теплообменник обычно имеет вид змеевика, погруженного в сосуд сжидкостью.
Такойтеплообменник представляет собой трубу с прямоугольными витками, расположеннымив вертикальной и горизонтальной плоскостях.
К этим теплообменникамотносятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.
2.Технические описания и расчеты
2.1Описание принципа работы технологической схемы производства виноградного сока
Виноградныйсок изготавливают натуральный, неподслащенный, прозрачный. Сырье должнообеспечить содержание сухих веществ в соке разных сортов не менее 14–16%.Хороший сок дает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия и др.
Виноград моютв вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагус поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребниперед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ,придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестведренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкциейпресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужнообязательно удалять.
Выход сока, взависимости от конструкции пресса, в среднем составляет (в % от массы мезги):на гидравлическом прессе – 72,3%, на шнековом – 63,6%. Шнековые прессы работаютнепрерывно, имеют высокую производительность, просты в обслуживании, но даютмутный сок.
Отжатыйвиноградный сок процеживают и центрифугируют, а затем обрабатывают с длительнойвыдержкой или по ускоренной схеме. Выдержка сока – полуфабриката производится втанках, цель ее – удаление винного камня и самоосветление сока. Виноградный соксодержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собой насыщенный илипересыщенный раствор. С понижением температуры хранения растворимость винногокамня падает, что ускоряет его кристаллизацию. В связи с этим применяютвыдержку виноградного сока-полуфабриката при температуре -1…-20С втанках в атмосфере углекислого газа.
После 2–3 месяцевхранения выпадает винный камень, сок самоосветляется и его подвергаютдальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до50–600С (без выдержки), фильтруют на фильтр-прессе черезфильтр-картон, фасуют в герметически укупориваемую тару и стерилизуют при 75–850Сс последующим водяным охлаждением.
Придекантации сока остается отстой, составляющий 4–8% к массе исходного сырья. Сокиз отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1–2%.
Производствовиноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать ирасфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичностьработы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное еепотребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовуюпродукцию через несколько суток после заготовки сока.
2.2Описание принципа работы спирального теплообменника
В спиральныхтеплообменниках поверхность теплообмена образована двумя стальными листамитолщиной 2–4 мм, свернутыми на специальном станке в спирали. Между листамипри помощи приваренных дистанционных штифтов сохраняется одинаковая по всейспирали расстояние – 8 или 12 мм. Таким образом, получаются два спиральныхканала, заканчивающихся в центре двумя полуцилиндрами, отделенными друг отдруга перегородками. К периферийной части листов приварены коробки. Каждыйцилиндр с торцовой стороны и каждая коробка имеют штуцер для входа или выходатеплоносителя. Для герметизации используют прокладки из резины, паронита,асбеста или мягкого материала. Согласно ГОСТ 12067–72, спиральныетеплообменники имеют поверхность теплообмена от 10 до 100 м2,работают при давлениях до 1 МПа и температуре от -20 до +200°С.
2.3Тепловой расчет аппарата
теплообменник виноградный сок аппарат
Исходныеданные:
производительностьаппарата G=600 л/ч=637,2кг/ч;
температура:продукта на входе в аппарат t1=150С; на выходе из аппарата t2=700С;греющего пара tп=1200С;
скоростьдвижения продукта: wп=0,5 м/с;
В качествепродукта используется виноградный сок:
с=1062,86кг/м3;
µ=0,000785 Па∙с;
с=3395,44 Дж/кг∙К;
л=557,2∙10-3Вт/м∙К;
Содержаниесухих веществ в соке составляет 16%.
В качестве теплоносителяиспользуется водяной пар.
1. Тепловаянагрузка аппарата:
Q=G1c1(t2-t1)=637,2×3,395 (70–15)=118981,17 кДж/ч;
2. Средняяразность температур:
а) большаяразность температур:
Дtб= tп – t1=120–15=1050С;
б) меньшаяразность
Дtм =tп – t2=120–70=500С.
Так как Дtб /Дtм=2,1>2, то Дtср=(Дtб – Дtм)/ln (Дtб/ Дtм)
Дtср=(105 – 50)/ln (105/ 50)=74,130С.
3. Эквивалентныйдиаметр спирального теплообменника определяем по формуле dэ»4bd/2b=2d (сторона d не участвует втеплообмене). Приняв ширину канала равную 0,01 м, получаем значениеэквивалентного диаметра: dэ=2×0,01=0,02 м.
4. Задавшисьскоростью движения раствора w1=0,5 м/с, находим площадьсечения канала теплообменника:
f=G1/r13600w1=637/1062×3600×0,5=0,00033 м2. Откуда эффективная высотатеплообменника (эффективная ширина ленты) bе=0,00033/0,01=0,033 м.Принимаем ширину ленты 0,025 м, тогда площадь поперечного сечения канала f=0,00035 м2.
Действительнаяскорость движения сока по каналу теплообменника:
w1=G1/r3600f=637,2/1062×3600×0,00035=0,47 м/с.
5. Определяемдинамический коэффициент вязкости (пленки конденсата) и численные значения еетеплопроводности, коэффициент теплопроводности и плотности как функции от tпл=97,76°С:
µпл=291,13 ∙10-6 Па∙с;
спл=4220,41Дж/кг∙К;
лпл=68,23∙10-2 Вт/м∙К;
спл=959,67кг/м3.
6. Расходгреющего пара:
G2=Q/cпл(tп – t1)=118981,17/4220,41 (120–15)=268,49кг/ч.
7. Скоростьгреющего пара в канале теплообменника:
w2=268,49/959,67×3600×0,00035=0,22 м/с.
8. Вычисляемзначение критерия Рейнольдса для продукта:
Re1=w1dэr/m=0,47×0,02×1062/0,000785=12717
9. Вычисляемзначение критерия Рейнольдса для греющего пара:
Re2=w2dэr/m=0,22×0,02×959,67/0,00029113=14504
10. Принимаемдиаметр спирали теплообменника Dc=1 м, находим критическое значение Re:
Reкр=20000 (dэ/Dc)0,32=20000 (0,02/1)0,32=5720
11. Вычисляемчисло Прандтля для продукта:
Pr1=cm/l=(3395,44×0,000785)/0,557=4,78
12. Вычисляемчисло Прандтля для пристенного слоя воды:
Pr2=cплmпл/lпл=(4220,41×0,00029113)/0,6823=1,8
13. Коэффициенттеплоотдачи от теплоносителя к стенкам спирали:
Nu2=0,023Re20,8Pr20,33(1+3,54dэ/Dc)=0,023×145040,8×1,80,33(1+3,54×0,02/1)= 63,8
Откуда:
a2=Nu2lпл/dэ=63,8×0,6823/0,02=2176,5 Вт/(м2×с).
14. Коэффициенттеплоотдачи от стенки теплообменника к продукту:
Nu1=0,023Re10,8Pr10,33(1+3,54dэ/Dc)=0,023×127170,8×4,780,33(1+3,54×0,02/1)= 79
Откуда:
a1=Nu1l/dэ=79×0,557/0,02=2200,15 Вт/(м2×с).
15. Задавшисьтолщиной стенки теплообменника dст=0,004 м и материалом стенки из сталиХ18Н10Т с коэффициентом теплопроводности lст=16 Вт/(м×°С), находим значение:
k=1/((1/a1)+(1/a2)+(d/aст))=1/(0,00045943+0,000454514+0,00025)=859,14Вт/(м×°С).
16. Находимповерхность теплообмена спирального теплообменника:
F=Q/kДt=(118981,17×1000)/(859,14×74,13×3600)=0,518 м2.
17. Длиналистов спирали определяется из соотношения:
L=F/2b=0,5187,4×0,035=7,4 м2.
18. Числовитков спирали, необходимое для получения эффективной длины, определяем поуравнению:
N=L/(2pt)+1/16(d/t-1)2-1/4 (d/t-1)=7,55
где t=d+dст=0,01+0,004=0,014 м;
d=2r+t=2×0,05+0,014=0,114 м.(r принимаем равной 0,05 м).
19. Наружныйдиаметр спирали теплообменника с учетом толщины листа определяется по формуле:
Dc=d+2Nt+dст=0,314+2×15,1×0,014+0,004=0,74 м.
где N=2n=2×7,55=15,1 – число витковобеих спиралей.
20. Знаянаружный диаметр спирали, находим по формуле критическое значение Re:
Reкр=20000 (0,02/, 74)0,32=6298,04
21. Определяемпотерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спиральноготеплообменника:
ü Дляпродукта потерю напора определяем по формуле:
ДP=0,0113/((Lrw12)/(Re0,25d))=184,8кг/м2.
ü Для греющегопара потерю напора определяем по формуле:
ДP=0,0113/((Lrw22)/(Re0,25d))=35,3 кг/м2.
2.4 Расчети подбор нагнетательного оборудования
1) Попроизводительности выбираем центробежный насос со следующими параметрами:
Марка Х2/25
ПроизводительностьG=4,2∙10-4м3/с
Н столбажидкости 25 м
Частотавращения 50 1/с
Электродвигатель
Тип АОЛ-12–2
Мощность 1,1кВт
2) Выбортрубопровода.
Длявсасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость теченияпродукта, равную 0,5 м/с.
d=(4Q/wр)0,5=(4∙0,00016/3,14∙2)0,5=0,02 м.
3)Определение потерь на трение и местные сопротивления.
Находимкритерий Рейнольдса:
Re=wdс/µ=(0,5∙0,02∙1062,86)/0,000785=13539,6следовательно режим турбулентный.
Абсолютнуюшероховатость трубопровода принимаем Д=2∙10-4 м.
е=Д/d=2∙10-4 /0,02=0,01
1/е=100
10∙1/е=1000
560∙1/е=560000
10∙1/е
л=0,11 (е+68/Re)0,25=0,11 (0,0125+68/13539,6)0,25=0,029
Определимсумму коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии:
овс=о1+о2=0,018+4,2=4,218, где
о1-сопротивлениепо длине трубы;
о1=л∙w2/2g∙d =0,029×0,25/0,02∙2∙9,81=0,018
о2-вентиль;
онагн=5∙о1+ о2+3∙о3=5∙0,018+0,42+3∙1,1=7,59где
о3-отводыпод углом 90о.
Потерянныйнапор во всасывающей линии:
hвс= (л/d+ овс) ∙w2/2g =(0,029/0,02+4,218) 0,25/2∙9,81=0,072 м.
Потерянныйнапор в нагнетательной линии:
hнагн= (л/d+ онагн) ∙w2/2g =(0,029/0,02+7,59) 0,25/2∙9,81=0,108 м.
Общие потери:
hп= hвс+ hнагн=0,108+0,072=0,18 м.
Запас напорана кавитацию:
h3=0,3 (Gn2)2/3=0,3 (4,2∙10-4∙502)2/3=0,31 м.
По таблицамдавлений насыщенного водяного пара находим, что при температуре 45,870Срt=9,58∙ 103 Па, атмосферное давление равно р1=105Па.
Нвс≤р1/gс– (рt/gс+w2/2g+h3+hвс)= =105/1062,86∙9,81 (9580/1042,67+0,5/2∙9,81+1,44+0,31)=19,5 м.
Списоклитературы
1. Основные процессы и аппаратыхимической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. –М.: Химия, 1983. – 272 с.
2. Основные процессы иаппараты пищевых производств / Под ред. Ю.И. Липатова. – М.:Химия, 1987. – 272 с.
3. Основы проектированияпроцессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стахеева. – М.: «Вышэйшаяшкола», 1972
4. Примеры и задачи покурсу процессов и аппаратов химической технологии./ Под ред. П.Г. Романкова.– Л.: Химия, 1987. – 576 с.
5. Основы проектированияпроцессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стабникова. – М.:«Вышэйшая школа», 1972