Теплообмінні апарати пластинчастого типу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Введення

1. Опис проектованого апарата

1.1 Місце й призначення апарата в технологічній схемі

2. Розрахунки

2.1 Матеріальний баланс

2.2 Тепловий розрахунок теплообмінника

2.3 Розрахунок основних робочих елементів. Конструкторський розрахунок

2.4 Гідравлічний розрахунок

2.5 Розрахунок теплової ізоляції

3. Техніко-економічні показники

4. Умови безпечної експлуатації спроектованого об'єкта.

Література

Вступ

У всіх галузях харчової промисловості більшість технологічних процесів пов'язане з використанням теплоти. Багато видів сировини, напівфабрикатів піддаються тепловій обробці: нагріванню, випарюванню, або охолодженню. Теплота застосовується також для стерилізації й пастеризації, сушіння й інших процесів. Прагнення інтенсифікувати процеси конвективного теплообміну й створити найбільше технологічне у виготовленні й економічних теплообмінних апаратах привело в останні роки до швидкого вдосконалювання конструкцій теплообмінних апаратів, виготовлених з аркушів: пластинчастих, пластинчато-ребристих, стрічкових і спіральних.

Найбільш прогресивними в цей час є пластинчасті й пластинчато-ребристі теплообмінні апарати. Вузли й деталі їх повністю уніфіковані, а основні робітники частини виготовляють штампуванням і зварюванням. Все це створює можливості економічного масового виготовлення таких апаратів при мінімальній металоємності.

Вимоги до промислових теплообмінних апаратів залежно від конкретних умов застосування досить різноманітні. Основними з них є: забезпечення найбільш високого коефіцієнта теплопередачі при можливо меншому гідравлічному опорі; компактність і найменша витрата матеріалів на одиницю теплової продуктивності апаратів; надійністю й доступністю до поверхні теплообміну для механічного очищення її від забруднень; уніфікація вузлів і деталей і технологічність механізованого виготовлення широких рядів поверхонь теплообміну для різного діапазону робочих температур і тисків.

Теплообмінні апарати пластинчастого типу найбільше повно задовольняють потреби молочної промисловості, що й послужило основою для вибору апарата в даному проекті.

1. Опис проектованого апарата

теплообмінник ізоляція гідравлічний пластинчастий

Проектом передбачений розбірний пластинчастий теплообмінник.

Апарат складається із групи теплообмінних пластин, підвішених на верхній горизонтальній штанзі. Кінці верхньої й нижньої штанги закріплені в нерухомій плиті (передній стійці) і на задній стійці. За допомогою натискної плити й гвинта пластини в зібраному стані стислі в один пакет. У робочому стані пластини щільно притиснутий друг до друга на гумових прокладках. Кожна пластина має прокладки двох призначень:

а) більша гумова кільцева прокладка, що обмежує на лицьовій стороні пластини канал для відповідного потоку робітничого середовища й охоплюющий також два кутових отвори, через які відбувається приплив середовища в міжпластинний канал і стік з нього;

б) дві малі гумові прокладки, що ізолюють два інших отвори й створюють транзитний прохід для другого робітничого середовища.

Система ущільнювальних прокладок побудована так, що після зборки й стиску пластин в апарату утворяться дві системи герметичних каналів, ізольованих одна від іншою металевою стінкою й прокладками: одна для гарячого робітничого середовища, інша для холодної. Одна із цих систем складається з непарних каналів між пластинами, а інша з парних, завдяки чому потоки гарячих і холодної робітничих середовищ чергуються. Обидві системи межпластинных каналів з'єднуються зі своїми колекторами й далі зі штуцерами для входу й виходу робітничих середовищ, розташованих на плитах.

Холодне робітниче середовище (молоко) входить в апарат через штуцер, розташований на нерухомій плиті й через верхній кутовий отвір попадає в поздовжній колектор, утворений кутовими отворами пластин після їхньої зборки. По колекторі молоко доходить до пластини маючих глухий кут (без отвору) і розподіляється по непарним межпластинными каналами, які повідомляються (через один) з кутовим колектором, завдяки відповідному розташуванню більших і малих гумових прокладок. При русі нагору по межпластинному каналі середовище обтікає хвилясту поверхню пластин, що обігрівають зі зворотної сторони гарячою водою. Потім підігріте середовище виходить у поздовжній колектор, утворений нижніми кутовими отворами й виходить із апарата через штуцер - гаряче робітниче середовище рухається в апарату назустріч холодної. Вона надходить у штуцер - проходить через нижній колектор, розподіляється по парних каналах і рухається по них нагору. Через верхній колектор і штуцер - охолоджене гаряче середовище виходить із теплообмінника. У проектованому теплообміннику робітниче середовище розподіляється по двох паралельних каналах. Сукупність декількох каналів, по яких робітниче середовище тече в одному напрямку називається пакетом.

По виходу з першого пакета робітниче середовище попадає в протилежний колекторний канал, проходить по ньому уздовж апарата до чергової граничної пластини й розподіляється по каналах другого пакета. У другому пакеті робітниче середовище рухається в напрямку, протилежному її руху в першому пакеті.

Основним конструктивним елементом пластинчастого апарата є теплопередаюча пластина.

У проектованому теплообміннику застосовані пластини стрічково-потокового типу з горизонтальними гофрами Р-11 (П-2). Завдяки наявності гофри на поверхні теплообмінника створюються звивисті щілевидние металопластинные канали, у яких досягається значна турбулізація робочих середовищ, що рухаються, при порівняно малих швидкостях потоку.

Таблиця 1. Технічна характеристика пластини.

Параметри	Р-11 (П-2)
1	2
1.	Габаритні розміри пластини в мм. довжина ширина	1020 315
2.	Товщина стінки в мм.	1,25
3.	Поверхня теплообміну в м2	0,21
4.	Маса в кг	3,2
5.	Еквівалентний діаметр каналу в м.	0,0056
6.	Площа поперечного переріза в м2	0,00075
7.	Відстань між пластинами(середнє) у мм.	3
8.	Крок гофри уздовж потоку в мм.	22,5
9.	Висота гофри у мм	7
10.	Число гофри на пластині	28
11.	Довжина одного каналу (наведена) у м.	0,8
12.	Площа поперечного переріза кутового отвору в м2	0,003
13.	Діаметр штуцера, що приєднує, у мм.	50

Гумові прокладки виготовлені з натурального каучуку. Марка гуми 1024 ИР-36 А; БКСО-107; норматив на поставку ТУ 233-54р. Температурні межі для повітря й води від -20 (З до 110 (С.

Гумові прокладки кріпляться на пластину за допомогою клеячи. Найбільш підходящими є: фенолформальдегідниє клеї БФ-2 і БФ-4; КФС-2; епоксидний клей марки Епоксид П4 поліуретановий клей Леконат; каучуковий клей ГЭН-150.

Пластини виготовлені із хромонікелевої сталі Х18Н10Т.

Рама (або станина) пластинчастого апарата виконує функцію несучої пластини й одночасно затискного пристрою. Проектована рама із двухгвинтовим затискним механізмом.

При двухгвинтовому затиску гвинтові нарізки виконані безпосередньо на кінцях горизонтальних штанг. Затискають пластини гайкою, постаченої позаду чохлом, що закриває нарізаний кінець штанги, а попереду опорним кільцем з кульковим підшипником. Опорне кільце давить на знімну скобу, що сковзає по штанзі й передає зусилля на натискну плиту.

1.1 Місце й призначення апарата в технологічній схемі

Пластинчасті теплообмінники найчастіше встановлюються в лінію для виробництва вершкового масла.

У технологічному процесі виробництва масла встановлені два теплообмінники: один для нагрівання молока (поз.4), іншої для нагрівання вершків.

Молоко із прийомної ємності (поз.1) за допомогою насоса (поз.2) перекачується в зрівняльну ємність (поз.3), звідки надходить на пластинчастий теплообмінник для молока, де відбувається процес нагрівання. Основна мета нагрівання - знешкодити продукт у мікробіологічному відношенні й охоронити від псування. Крім цього в процесі нагрівання змінюється в'язкість, поверхнева напруга, і що, найважливіше, при цьому процесі поліпшується здатність молока до відділення вершків. Тому перед відділенням вершків на сепараторі роблять нагрівання молока.

У технологічній схемі виробництва масла передбачене також нагрівання вершків. Нагрівання вершків роблять із метою більше повного проведення процесу дезодорації в результаті якого віддаляються сторонні заходи й присмак, обумовлені наявністю ароматичних речовин, які концентруються в жировій фазі або плазмі вершків.

2. Розрахунки

2.1 Матеріальний баланс

Матеріальний баланс, заснований на законі збереження маси, становлять для визначення витрати вихідних речовин або виходу готової продукції. Згідно закону збереження речовини, масова кількість речовин G₁ й G₂ поступивших на переробку, дорівнює масовій кількості отриманого продукту. Оскільки в проектованому апарату маса продукту, що надійшов, дорівнює масі отриманого, те матеріальний баланс запишеться у вигляді:

G₁ = G₂ (1)

де G₁ - маса молока, що надходить в апарат, кг.; G₂ - маса молока, що йде з апарата, кг.

З урахуванням втрат, що мають місце у виробництві, матеріальний баланс можна записати у вигляді:

G₁ = G₂+G_П (2)

де G_П - втрати продукту, кг.

2.2 Тепловий розрахунок теплообмінника.

Визначаємо теплове навантаження на апарат:

(3)

(4)

[1] c. 183

де Q - теплове навантаження, Вт;

V- продуктивність теплообмінника, л/с;

_м- щільність молока, кг/м³;

С_м- кінцева температура молока, Дж/(кг К)

t_к - кінцева температура молока, С

t_п - початкова температура молока, С

х - коефіцієнт, що враховує втрати тепла. Приймаємо рівним 1,05.

Фізичні властивості молока вибираємо по таблиці [8, с.24, таблиця 16] залежно від середньої температури молока.

(5)

(С)

Щільність _м=1024 кг/м³=1,024 кг/л

Теплоємність С_м=3910 Дж/(кгДО)

В'язкість молока =1,0410^-3 Паз

Теплопровідність молока =0,513 Вт/(мК)

(Вт)

Визначаємо кінцеву температуру води, що гріє. [1]c.210

(6)

де - кінцева температура води, що гріє,С;

- початкова температура води, що гріє, С;

С_в - теплоємність води, приймаємо 4187 Дж/кгК

n - кратність гарячої води, приймаємо рівної 2.

(С)

Визначаємо середню температуру води:

(7)

(С)

По середній температурі знаходимо фізичні властивості води по таблиці [9, с.351, додаток III]

Щільність _в=971,8 кг/м³

Теплоємність С_в=4216 Дж/(кгК)

Теплопровідність _в=0,674Вт/(мК)

Кінематична в'язкість _в=0,33610^-6 м²/с

Визначаємо витрата води, що гріє[1]c.183

(8)

де G - масова витрата води, що гріє, кг/с

(кг/с)

Визначаємо об'ємна витрата води, що гріє

(м³/с)

Обчислюємо середній температурний напір

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Графік зміни температур робітничих середовищ по поверхні апарата при противотоке. [1] c. 183

(С)

(С)

(10)

(C)

Апарат намічений проектувати на базі пластин П-2 з горизонтальними гофрами стрічково-потокового виду [1, C. 210].

Основні дані пластини:

робоча поверхня F₁=0,2 м²;

робоча ширина b=0,270 м;

наведена висота L_Н=0,800 м;

відстань між пластинами h=0,0028 м;

площа поперечного переріза одного каналу f₁=0,0008 м²;

еквівалентний діаметр потоку d_e=0,0056 м;

товщина пластини =0,0012 м;

теплопровідність пластини =16 Вт/(мК)

При швидкості молока =0,46 м/с число каналів у пакеті складе: [1] c. 192

(11)

Об'ємна продуктивність установки по молоку:

(м³/с)

Тоді,

Тому що число каналів у пакеті не може бути дробовим, округляємо до m=8

Уточнюємо у зв'язку із цим величину швидкості потоку молока:

(м/с)

Швидкість гарячої води приймаємо рівної 0,85 м/с

Визначаємо критерій Рейнольдса для молока:

 (12)

Визначаємо критерій Прандтля для молока: [1] c. 184

(13)

Визначаємо критерій Нуссельта з боку молока. При русі потоків у каналах, утворених пластинами типу П-2 критерій Нуссельта визначаємо з рівняння: [2] c. 52

(14)

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі ₁:

(15)

(16)

(Вт/(м²К))

Визначаємо критерій Рейнольдса для води:

 (17)

Визначаємо критерій Прандтля для води, де:

(18)

Визначаємо критерій Нуссельта для води:

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для води ₂:

(Вт/(м²К))

Визначаємо коефіцієнт теплопередачі: [1] c. 185

(19)

(Вт/(м²К))

Коефіцієнт теплопередачі з урахуванням відкладень:

29090,85=2473 Вт/(м²К)

Визначаємо загальну поверхню теплопередачі апарата:

 (20)

(м²)

Приймаємо найближчу стандартну F=10 м²

2.3 Розрахунок основних робочих елементів

Конструктивний розрахунок

Площі поперечних перерізів пакетів складуть:

а) по стороні молока[1] c. 186

(21)

(м²)

б) по стороні води

(22)

(м²)

Число каналів в одному пакеті:

а) для молока

 (23)

Що відповідає раніше прийнятому.

б) для води

(24)

Приймаємо m₂=8

Число пластин в одному пакеті

а) для молока

(25)

б) для води:

(26)

Визначаємо поверхню теплообміну для одного пакета при отриманому числі пластин:

a) для молока: [1] c. 186

 (27)

(м²)

б) для води:

(28)

(м²)

Число пакетів в апараті:

а) з боку молока

(29)

Приймаємо х₁=3. Якщо округлити до 2, то необхідно зменшити число каналів, що приведе до збільшення швидкості й перевищенню напору

б) з боку води

Приймаємо х₂=3

Число пластин в апарату визначаємо з урахуванням наявності кінцевих пластин

(30)



Схема компонування пластин в апарату може бути такою:

Фактична площа поперечного переріза каналів у пакетах для обох середовищ: [1] c. 187

(31)

(м²)

Фактична швидкість руху:

а) для молока

(32)

(м/с)

б) для води

(33)

(м/с)

Перевіримо, чи досить обраної поверхні теплопередачі при фактичних швидкостях робітничий середовищ.

Критерій Рейнольда при нових значеннях швидкостей:

а) для молока

б) для води

Критерій Нуссельта

а) для молока

б) для води

Визначаємо уточнені значення коефіцієнтів тепловіддачі

а) для молока

(Вт/(м²К))

б) для води

(Вт/(м²К))

Підрахуємо фактичний коефіцієнт теплопередачі з урахуванням обкладань: [1] c. 187

(34)

(Вт/(м²К))

Поверхня теплопередачі після уточнення

 (35)

(м²)

Приймаємо м²

2.4 Гідравлічний розрахунок

З попередніх розділів розрахунку фактичні швидкості руху молока й води в каналах теплообмінника: =0,44 м/с; =0,8 м/с; =1928; =14667.

Обчислюємо коефіцієнт загального гідравлічного опору одиниці відносної довжини каналу для обох середовищ: [1] c. 188

(36)

Гідравлічний опір пакетів пластин при цьому:

(37)

де L_н - наведена довжина потоку, 0,8 м.

(Па)

(Па)

Перевіряємо швидкості руху молока й води в штуцерах при площі прохідного перетину штуцера діаметром 40 мм.

(38)

(39)

(40)

(м²)

=2,23 (м/с)

(м/с)

Тому що швидкість води в штуцері більше припустимої (4,462,5 м/с), то розрахуємо місцевий гідравлічний опір водяного штуцера, прийнявши _шт=1,5

(41)

 (Па)

Загальний гідравлічний опір теплообмінника складе:

- для тракту руху молока

Па=91,392 кПа=9139,2 кгс/м²

- для тракту руху води

Па=233,882 кПа=23388,2 кгс/м²

Підрахуємо потужність, необхідну на подолання гідравлічних опорів при перекачуванні молока й води:

, (42)

де ₁ - коефіцієнт корисної дії насоса для молока; ₁=0,372;

₂ - коефіцієнт корисної дії насоса для води; ₂=0,75;

(Вт)

(Вт)

Приймаємо потужність двигуна для молока 0,75 кВт, для води 1,7 кВт

2.5 Розрахунок теплової ізоляції

Так як пластинчасті теплообмінники не ізолюються, то зробимо розрахунок ізоляції трубопроводу для гарячої води.

Температуру внутрішньої стінки ізоляції приймаємо рівній температурі стінки апарата t_ст=95С. Температуру зовнішньої поверхні ізоляції приймаємо рівної t_з=30С, температуру навколишнього повітря t_п=20С, ККД ізоляції _із=85%

Коефіцієнт теплопередачі від зовнішньої неізольованої поверхні труби до повітря визначаємо по формулі: [9] c. 212

(43)

(Вт/(м²К))

Втрати тепла неізольованою трубою:

(44)

(Вт/м²)

При _із=90% втрати ізольованої труби складе:

(45)

(Вт/м²)

Визначаємо теплопровідність для ізоляції при середній температурі ізоляції:

(46)

(С)

(47)

(Вт/(мК))

Необхідна товщина ізоляції: [9] c. 212

(48)

=0,055 м=55 мм

Перевіримо значення t_з:

, (49)

де ₂ - коефіцієнт теплопередачі від ізоляції до повітря приміщення, Вт/(м²К)

(50)

Вт/(м²К)

Тоді

(51)

(С)

Що близько до заданої температури.

3. Техніко-економічні показники

Тривалість роботи апарата в рік:

=7920 год.

Річна для амортизаційних відрахувань:

а=0,1

Вартість 1 кВт/год електроенергії:

_N=0,195 грн.

Вартість 1 м² поверхні пластин:

_F=270 грн.

Експлуатаційні витрати: [7] c. 64

(52)

грн

Амортизаційні витрати:

, (53)

де F - площа пластини, м²

грн..

Сумарні витрати: [7] c. 64

(54)

грн.

4. Умови безпечної експлуатації спроектованого об'єкта

При експлуатації теплообмінних апаратів необхідно дотримувати правила техніки безпеки. Поблизу теплообмінного апарата на видному місці вивішують інструкцію для експлуатації, зборці, розбиранню й мийці всіх вхідних у нього агрегатів.

Обслуговують апарат тільки особи, що освоїли правильне ведення технологічного процесу, що опанували практичними навичками безпечного ведення робіт, що одержали спеціальний інструктаж і пройшли перевірку знань і навичок.

Вентилі на трубопроводах холодної й гарячої води встановлюються в доступних місцях і легко відкриваються вручну без застосування яких-небудь додаткових пристосувань. Вентилі відкривають поступово для запобігання прориву води із сальника. Для того, щоб не створювати в початковий момент надмірного тиску в апарату необхідно перед експлуатацією відкрити крани на всіх внутрішніх комунікаціях. Розбирання апарата можна робити тільки тоді, коли апарат остудиться до температури 30 С и нижче. У випадку припинення подачі електроенергії необхідно негайно перекрити вентилі й виключити всі електродвигуни. Всі електродвигуни, пускові апаратури й щит керування надійно заземлюються.

Трубопроводи гарячої води надійно ізолюються.

Література

1. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. - М.: Машиностроение, 1973, - 288 с.

2. Ба ранцев В.И. Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1985. - 136 с.

3. Дьяченко П.Ф.,Коваленко М.С., Грищенко А.Д., Чебота рев А.И. Технология молока и молочных продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1974. - 448 с.

4. Крусь Г.Н., Чепулаева Г.А., Шалигина Г.А., Ткаль Т.К. технология молочных продуктов. - М.: Агропромиздат, 1988. - 367 с.

5. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1987. - 239 с.

6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987. - 576с.

7. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств / Под ред. В.Н. Стадникова. - Киев: Вища школа, 1982. - 199 с.

8. Ростроса Н.К. Справочник по цельномолочному производству. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 344 с.

9. Стабников В.Н., Ба ранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Пищевая промышленность, 1974. - 360 с.

10. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. процессы и аппараты пищевых производств - М.: Агропромиздат, 1985. - 503 с.

Размещено на Allbest.ru

...