Министерство образования и наукиРоссийской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Тихоокеанский государственныйэкономический университет
Кафедра пищевой биотехнологии
Курсовой проект по дисциплине
Процессы и аппараты химическойтехнологии
Тема: «Расчет кожухотрубноготеплообменника для стерилизации молока»
Студентка Аржаева А. И.
Группа 441 Пб
Руководитель: доцент Фищенко Е. С.
Владивосток 2007
Содержание
Введение
I.Теоретическая часть.Теплообменные процессы
II.Описание технологическойоперации
Задание
1. Тепловой расчет
2. Гидравлический расчет
3. Расчет тепловой изоляции
4. Механический расчет
Список использованной литературы
Введение
Любой технологическийпроцесс, несмотря на различие методов, представляет собой ряд взаимосвязанныхтиповых технологических стадий, протекающих в аппаратуре определенного класса.Однако высокие требования к качеству продукции, эффективности производства,снижению его энерго- и материалоемкости, охране окружающей среды определялиспецифику, отличающую эти технологические стадии получения пищевых продуктов иаппаратурно-технологическое оформление от подобных процессов в других отрасляхнародного хозяйства.
Процессы в пищевойтехнологии в большинстве своем сложны и зачастую представляют собой сочетаниегидродинамических, тепловых, массообменных, биохимических и механическихпроцессов.
Технологический процесс впищевой технологии необходимо анализировать, рассчитать его, определитьоптимальные параметры, разработать и рассчитать аппаратуру для его проведения.В нем изучаются закономерности масштабного перехода от лабораторных процессов иаппаратов к промышленным. Знание этих закономерностей необходимо дляпроектирования и создания современных многоэтажных промышленных процессовпищевой технологии.
Теплоиспользующиеаппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплоообменныхпроцессов, называются теплообменниками. Теплообменники характеризуютсяразнообразием конструкций, которое объясняется различным назначением аппаратови условиями проведения процессов.
По принципу действиятеплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные(градирни, скрубберы, конденсаторы смешения и т. д.).
В рекуперативныхтеплообменниках теплоносители разделены стенкой и теплота передается отодного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.
В регенеративныхтеплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омываетсяпопеременно горячим и холодным теплоносителями.
В смесительныхаппаратах передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействиитеплоносителей.
І. Теоретическая часть. Теплообменные процессы
Теплообмен – самопроизвольный, необратимый процесспереноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.
Теплота (количество теплоты) – энергетическая характеристикапроцесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой илиполучаемой в процессе теплообмена.
Теплообменные процессы – это процессы, связанные спереносом теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. К ним относятсяпроцессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации,выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законамитеплопередачи.
В процессах теплопередачиучаствует не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с болеевысокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячимтеплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту,называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагентыдолжны быть химически стойкими, не вызывать коррозии аппаратуры, необразовывать отложений на стенках аппаратов. В качестве теплоносителей впищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водянойпар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов – аммиак, фреоны, рассолхлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяетсяих назначением, температурами процесса, стоимостью.
К теплообменным относяттакие технологические процессы, скорость которых определятся скоростью подводаили отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание),охлаждение, конденсация.
ІІ.Описание технологической операции
Молоко, из которогопроизводят молочные продукты, должно быть пастеризовано для уничтожения вмолоке патогенных бактерий и нежелательных вегетативных форм вредных для этихпродуктов, а в некоторых случаях и стерилизовано. Эффективность стерилизациизависит от температуры и времени воздействия на молоко.
Температурная обработка молока установлена стандартами ипреследует две цели: соблюдение гигиенических требований для охраны здоровья,повышение стойкости молока при хранении.
Стерилизация молока – способ термической обработки молокапри температуре выше 1000С с целью уничтожения вегетативных клеток ибольшинства спор бактерий. Стерилизованное молоко должно отвечать требованиямпромышленной стерильности, т.е. в нем не должно содержаться патогенных итоксигенных микроорганизмов, а также микроорганизмов – возбудителей порчи.Поэтому готовят стерилизованное молоко из сырья высокого качества, в которомсодержание спор бактерий не должно превышать 100 КОЕ в 1 см3 сырогомолока. В стерилизованном молоке допускается наличие небольшого количества спорбактерий, которые не размножаются и не вызывают изменений в продукте напротяжении всего срока хранения.
Существует 3 способа стерилизации молока:
— пастеризация при 750С® стерилизация при 135-1400Св потоке ® охлаждение до 700С® розлив в стерильные бутылки ® стерилизация при 116-1200С;
— стерилизация в потоке при1400С ® охлаждение ® асептический розлив в стерильные пакеты;
— пастеризация при 800С ® стерилизация в потоке при 1400С ® асептический розлив в стерильные пакеты.
Наиболее современным и распространенным способом производствастерилизованного молока является способ однократной стерилизации молока впотоке с последующим розливом.
Микробиологическийконтроль стерилизованного молока осуществляется не реже 2-3 раз в неделю. Отобранные образцыдолжны соответствовать требованиям промышленной стерильности. Для определенияпромышленной стерильности образцы со стерилизованным молоком термостатируют при 370С в течение 3 суток. После термостатной выдержки проводятосмотр образцов продукта.
При наличии вздутия упаковки или изменения внешнего вида молока вбутылках (наличия сгустка, хлопьев, отстоя сыворотки и др.) упаковки считаютнесоответствующими требованиям промышленной стерильности. Упаковки без внешнихдефектов вскрывают, а продукт анализируют органолептически. Продукт отвечаеттребованиям промышленной стерильности если не установлено изменений вкуса иконсистенции.
Для обработки молока взакрытом потоке при высоких скоростях его движения служат трубчатыестерилизационные установки.
Недостатки трубчатыхстерилизационных установок — высокая металлоемкость и большие габаритные размеры по сравнению с пластинчатыми при равной производительности;необходимость значительного свободного пространства со стороны торцов цилиндрических теплообменных секций для работы длинными ершами при чистке имойке аппарата; отсутствие секций для рекунерации теплоты, что снижаетэкономичность работы и сужает область применения этих теплообменников.
Вследствие малой скоростидвижения теплоносителей одноходовые теплообменники работают со сравнительноневысоким коэффициентом теплопередачи. Повышение этого коэффициента может бытьдостигнуто путем применения трубок небольшого диаметра, в которых продукт будетдвигаться с большей скоростью. Однако это часто приводит к необходимостисоздавать многокорпусные или многоходовые аппараты.(Лунин)
Многоходовыекожухотрубчатые теплообменники чаще всего используют в качестве парожидкостныхподогревателей, в которых жидкость пропускают по трубкам, имеющим несколькоходов. Как правило, они могут иметь жескую конструкцию.
Задание
Спроектировать кожухотрубный теплообменник для нагревания G,кг/с, продукта от начальной температуры tн2 до конечной tк2теплоносителем с начальной температурой tн1 и конечнойтемпературой tк1.
Исходные данные длярасчета:
Производительность G1 = 3,36 кг/с
Начальнаятемпература молока tн2 = 8ºC
Температурапастеризации t3 = 100,2ºC
Конечная температурамолока tк2= ºC
Коэффициентрекуперации тепла ε = 0,8.
Начальная температураводяного пара tн1 = 130ºC
Конечная температураводяного пара tк1 = 100ºC
Степень сухости водяногопара x = 0,9
Общее допустимое гидравлическое сопротивление Р =0,22 МПа
Средняя удельная теплоемкость молока см= 3890,9 Дж/ (кг∙ºС)
Плотностьмолока ρм= 1032,5 кг/ м31. Тепловой расчет
1. Определяем среднюю температурупродукта (молока) в подогревателе:
tм = 0,5(tн1+ tн2)
tм =(100,2+8)/2 = 54,1°С.
2. Из таблицы 11[1] определяютсяфизические свойства молока при tм:
ср = 3,875кДж/(кг*К),
ρ = 1014 кг/м3,
λ = 0,593 Вт/(м*К),
ν = 0,76*10-6м2/с,
Ρr = 5.
3. По таблице 11.2 [6] по давлениюводяного пара Р определяем характеристики насыщенного пара:
энтальпия пара ί″=2707 кДж/кг,
энтальпия конденсатаί′ = 504,8 кДж/кг.
4. Количество тепла, необходимое дляподогрева продукта (молока) до заданной температуры, т. е. до 100,2°С:
Q = G*cр*(tк2 – tн2)φn, кВт,
Q =3,36*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 теплоносителямирассчитывается:
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 втрубах 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 диаметрытрубок, учитывая, что внутри трубок протекает продукт, а снаружи трубкиомываются паром:
dн = 35 мм, dвн = 25 мм.
8. Определяем необходимое количествотрубок 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 продуктапо 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 коэффициентатеплоотдачи 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 нагревапродукта 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 типтеплообменника ТК ГОСТ 15118-79 для нагревания – охлаждения.
12.Исходя из того, что длинатеплообменника лежит в пределах 1,5-4 м, для компоновки трубного пучкапринимается число ходов продукта по трубам подогревателя, число ходов можетбыть 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 продуктасоставляет:
Gп = Q /(ι″ — ι′) * x, кг/ч,
где x – сухость водяногопара.
Gп = 1248,5 /(2707-504,8)*0,9 = 0,63 кг/с.
15.Число отверстий под трубки в трубнойдоске:
N0= Zм*n,
N0= 10*6 = 60отверстий.
16.Число труб, размещенных на диаметретрубной 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- шагразмещения 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 трубкина 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 200мм. Если корпус выполняется из труб, то наружный диаметр выбирают равным 159,273 или 325 мм. Пусть внутренний диаметр кожуха равен 3000 мм = 3 м, анаружный корпуса – 325 мм = 3,25 м.
19.Общее число труб, размещаемых впределах правильного шестиугольника,
n = 0,75(nd2– 1) + 1,
n = 0,75*(182 — 1) + 1 = 243,25 ≈ 244.
20.Диаметр трубной решетки иливнутренний 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 – толщинатрубной решетки, м; h – высота предтрубной камеры, м; конструктивно принимаютот 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 межтрубномпространстве:
Ζмтр = 0,785[(Dвн – ndн2)ρωмтр] / Gмтр,
где Sмтр – проходное сечение межтрубногопространства кожухотрубного аппарата (без перегородок), м2:
Sмтр = 0,785(Dвн2 –ndн2),
Sмтр = 0,785( 1,0072 –244*0,0352) = 0,56 м2,
S – живое сечение проходатеплоносителя, 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. Расстояниемежду сегментными перегородками межтрубного пространства:
h = Sмтр/[D(1– dн/S)], 2. Гидравлический расчет
Гидравлический расчетвыполняется для определения потерь давления и затрат энергии на преодолениеэтих потерь.
1. Общие потери давленияопределяются:
ΔΡ =ΔΡтр + ΔΡмс
или напора
hп = hтр+ hмс, где
ΔΡтр (hтр) – потери давления (напора) на преодоление сопротивлений трения при движениитеплоносителей через каналы установки,
ΔΡмс(hмс) – потери давления (напора) на преодоление местныхсопротивлеий.
2. Конечное уравнение длярасчета потерь давления (напора) имеет вид:
ΔΡобщ= ΔΡтр + ΔΡ + ΔΡг,
Нобщ = hтр+ hа + hг,
где
ΔΡтр(hтр) – потери давления (напора) а проводящих и отводящихтрубопроводах, Па, мм вод. Ст.;
ΔΡ (hа)– потери давления (напора) в теплообменнике, Па, мм вод. ст.;
ΔΡг– потери давления при подъеме жидкости на высоту hг, Па.
ΔΡтр = λ*l/dэ*ρω2/2,
ΔΡтр = 0,295*(3,9/3,9)*(1014*0,682)/2= 69,160 Па = 0,069 кПа, где
λ – коэффициенттрения, значение которого зависит от режима течения среды и от относительнойшероховатости канала, при турбулентном режиме (Re = 22368) определяют зонутрения:
e = Δ/dэ= 0,02*10-3/3,9 = 0,005*10-3 – относительнаяшероховатость стенок трубы (канала),
Δ – абсолютнаяшероховатость, м, для новых чистых стальных бесшовных труб Δ = 0,01-0,02мм = 0,02*10-3 м, примем Δ = 0,02*10-3 м.
e = 0,02*10-3/3,9= 0,05*10-3,
560/e = 560/0,05*10-3= 11200 автомодельная зона трения =>
λ = 1,1*(0,005*10-3)0,25= 1,1*0,268*100,75 = 0,295
ΔΡ = (λ*l/dэ + Σξ)*ρω2/2, где
Σξ – суммарныйкоэффициент местных сопротивлений,
Σξ =0,2+1,0+1,0+1,0+1,5 = 4,7.
ΔΡ = (0,295*3,9/3,9 + 4,7)*1014*0,682/2= 1171,03 Па = 1,17 кПа,
ΔΡг= ρghг,
ΔΡг= 1014*9,81*3,9 = 38794,63 Па = 38,794 кПа.
ΔΡобщ= 0,069 + 1,17 + 38,794 = 40,033 кПа = 40033 Па.
3. Мощность,затрачиваемая на перемещение продукта, или мощность на валу насоса:
Nн =G*ΔΡобщ/ρη, где
η – КПД насоса,примем η = 0,6.
Nн = 3,36*40033/1014*0,6= 221,09 Вт = 0,22 кВт.
4. Мощностьэлектродвигателя, кВт:
Nдв = Nн*10-3* ηдв*ηп, где
ηдв – КПДдвигателя,
ηп – КПДпередачи от двигателя к насосу, пусть ηп = 0,8.
Nдв =221,09*10-3/0,8*0,6 = 0,46 кВт.
На основе проведенныхрасчетов подбираем консольный насос марки ХМ2/25 n = 2900 об/мин и электродвигатель для него тип 4А71В2мощностью 1,1 кВт. 3. Расчет тепловой изоляции
Любое нагретое телотеряет тепло в окружающую среду, что существенно увеличивает затраты на данныйпроцесс. Для снижения этих затрат и соблюдения требований техники безопасностииспользуют тепловую изоляцию.
Температура наповерхности изоляции из условий безопасности работы tиз = 45°С.
Температура окружающейсреды:
t0= 20°С.
Толщина тепловойизоляции:
δиз = λиз*(tст1 – tиз) / α0*( tиз – t0), где
tст1 = 130°С,
δиз =0,082*(130-45) / 11,49*(45-20) = 6,97/287,25 = 0,024 м = 24 мм.
Примем в качестветеплоизоляционного материала пеностекло (предельная температура использования300°С): λиз = 0,082 Вт/(м2*К).
Так как термическоесопротивление теплоотдачи от горячего теплоносителя изолируемой поверхности, атакже термическое сопротивление этой поверхности очень малы по сравнению стермическим сопротивлением изоляции, то удельный тепловой поток можнорассчитать:
q = α0*(tиз– t0),
где
α0–суммарный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху,Вт/(м2*К),
α0= 9,74+ 0,07*( tиз – t0) = 9,74 + 0,07*(45-20) = 11,49 Вт/(м2*К),
q = 11,49*(45-20) =287,25 Вт/м2.4. Механический расчет
Корпус теплообменногоаппарата выполняется сварным, из листовой стали 20К. Тогда допускаемоенапряжение в зависимости от температуры стенки выбираем [σ]* =139 Мпа.
Расчет толщины стенок навнутренне давление:
Толщина стенки прирасчете на внутреннее давление проверяется по формуле:
δ = (Р*D/2[σ]доп*φ)+ С, где
δ – толщина стенкикорпуса, м;
Р – внутреннее избыточноедавление в корпусе, МПа;
D – внутренний диаметркорпуса, м;
[σ]доп –допускаемое напряжение, МПа, [σ]доп = [σ]*η = 139*0,9= 125,1 МПа,
η – коэффициент,учитывающий конструкцию и условия работы аппарата, η = 0,9 для сосудов,обогреваемых топочными газами [4];
φ – коэффициентпрочности сварного шва, для односторонней сварки
φ = 0,65;
С – поправка на коррозию,овальность и т. д., С = 0,003 м. [4]
δ =0,22*2,1/2*125,1*0,65 + 0,001 = 0,462/162,63 + 0,003 = 0,0058 м = 5,8мм.
Расчет толщины стенок нанаружное давление:
Толщина стенок нанаружное давление при разрежении в аппарате:
δ = (Рн*Dн/2*[σ]с*φ)+ С,
где Рн –наружное избыточное давление, МПа;
Dн – наружныйдиаметр цилиндра, м;
[σ]с –допускаемое напряжение на сжатие,
МПа, [σ]с=[σ]доп=125,1МПа;
С – конструктивнаяприбавка, С = 0,003 м. [4].
δ = 0,1*0,325/2*125,1*0,65 + 0,001 = 0,0325/162,63 + 0,003 = 0,0032 м =
=3,2 мм.
Расчет толщины трубныхрешеток:
Толщина трубных решетоквыбирается в зависимости от диаметра размещенных в ней труб. Шаг междусоседними трубами должен быть не меньше t = 4,8dн = 4,8*0,035 =0,168, тогда толщина трубной решетки при заданном шаге:
Δр =4,8*t / (t — dн),
Δр =0,168 / (0,168 – 0,035) = 0,168/0,133 = 1,26 мм.
Расчет толщины крышек:
Форма крышек и днищ втеплообменных аппаратах бывает различной (сферической, эллиптической,конической или плоской).
Номинальная толщинастенки эллиптического днища:
δ = Р*Dн*К*/2[σ]допφ+ С, где
К – фактор формы днища, К= 1,10, [4], табл. 5,8 с.124
δ =0,22*0,325*1,1/2*125,1*0,65 + 0,003 = 0,0787/162,63 + 0,003 = 0,0035 м = 3,5мм.
Список использованной литературы
1. Солнцев В.Д. Процессы и аппаратыпищевых производств химической технологии: Учебно-методическое пособие. –Владивосток: Изд-во ТГЭУ, 2006. – 100с.
2. Гинзбург А.С., Громов М.А, КрасовскаяГ.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник. – М.: Пищ.пром-сть, 1980. – 286с.
3. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессыи аппараты пищевой технологии. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 1999. –551 с.
4. Лунин О. Г., Вельтищев В. Н.Теплообменные аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1987. – 239с.
5. Соколов В. И. Основы расчета иконструирования машин и аппаратов пищевых производств. – М.: Машиностроение,1983. – 484с.
6. Угрюмова С. Д. Теплотехника: Учебник.Владивосток: Издательство ДВГАЭУ,1999. – 296с.