Теплообменник выносного контура подогрева инертного сахарного сиропа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называют теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций, которое объясняется различным назначением аппаратов и условиями проведения процессов.

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные (теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку), регенеративные (одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями) и смесительные (передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей) - градирни, скрубберы, конденсаторы смешения и т.д.

При выборе конструкции теплообменного аппарата следует исходить из следующего: аппарат должен соответствовать технологическому процессу, быть высокоэффективным (производительным), экономичным и надежным в работе, иметь низкую металлоемкость, материал теплообменника должен быть коррозиестойким в рабочих средах.

Обычно ни одна из конструкций теплообмена не удовлетворяет полностью всем перечисленным требованиям, и приходиться ограничится выбором наиболее подходящей конструкцией.

1. Описание технологической схемы

Рисунок 1 - Технологическая схема приготовления инвертного сахарного сиропа: 1-сироповарочный котел; 2-мерник; 3,9- фильтр; 4,8,12- насосы; 5,7,10- теплообменники; 6- котел инверсии сахарозы; 11- сборники инвертного сахарного сиропа

В сироповарочный котел 1 наливают заданное количество воды, нагревают до кипения и загружают необходимое количество сахара. После кипячения в течение 30 мин сахарный сироп с содержанием сухих веществ 65% пропускают через фильтр 3 и охлаждают до 70°С. Инверсию сахарозы проводят в емкости 6. После охлаждения в сахарный сироп вносят 50%-ный водный раствор лимонной кислоты и выдерживают при температуре 70°С в течение 2 ч. Перемешивание осуществляется методом рециркуляции через насос 8. После этого инвертный сахарный сироп фильтруют, охлаждают до 20°С и подают в закрытые сборники для хранения готового продукта.

В готовом сахарном сиропе контролируют содержание сухих веществ и инвертного сахара, а также органолептические показатели. Инвертный сахарный сироп должен содержать инвертного сахар не более 55% мас. от общего количества содержащегося в нем сахара и оксиметилфурфурола в пределах установленных норм [5].

2. Технологический расчет аппарата

2.1 Расчет и подбор теплообменного аппарата

Тепловая нагрузка аппарата:

, (1)

где G₂-расход инвертного сахарного сиропа, кг/с;

с₂=3063,5 кДж/м^.с - теплоемкость инвертного сахарного сиропа [7, с.12];

t_к2, t_н2 - конечная и начальная температуры инвертного сахарного сиропа,°С.

Вт.

Расход греющего пара:

, (2)

где r₁=2208 кДж/кг - удельная теплота испарения греющего пара.

кг/с.

Средняя разность температур:

, (3)

где t₁=119,6°С - температура конденсации греющего пара.

°С.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор=340 Вт/м^{2 .}К [4, табл. II.1]. Ориентировочное значении поверхности теплообмена:

, (4) м².

Вариант I. Рассмотрим пластинчатый теплообменник поверхностью 4,0 м², поверхностью пластины 0,3 м², число пластин N=16, масса М=307 кг.

Скорость сахарного сиропа в восьми каналах с площадью поперечного сечения S=0,0011 м² равна:

, (5)

где с₂=1412,2 кг/м³ - плотность инвертного сахарного сиропа [7, с.10].

м/с.

Значение критерия Рейнольдса для инвертного сахарного сиропа при эквивалентном диаметре канала d_экв=0,008 м:

, (6)

где µ₂=0,0009 Па^.с - динамическая вязкость инвертного сахарного сиропа [7, с.14].

Коэффициент теплоотдачи к инвертному сахарному сиропу:

, (7)

где л₂=0,378 Вт/м^.К - теплопроводность инвертного сахарного сиропа [7, с.11];

Pr₂ - критерий Прандтля для инвертного сахарного сиропа.

, (8)

.

Примем (Pr₂/Pr_ст2)=1, тогда:

Вт/м^{2 .}К.

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара примем, что Дt?10°С. Тогда в каналах с приведенной длиной L=1,12 м получим:

, (9)

где µ₁=0,00232 Па^.с - динамическая вязкость греющего пара [5, табл. XXXIX].

.

, (10)

где л₁=0,67 Вт/м^.К - теплопроводность греющего пара [5, табл. XXXIX];

Pr₁ - критерий Прандтля для греющего пара.

, (11)

где с₁=4230 Дж/кг^.К - теплоемкость греющего пара [5, табл. XXXIX].

Вт/м^{2 .}К.

Термическим сопротивлением загрязнений стенки со стороны пара можно пренебречь. Толщина пластин д=1,0 мм, материал - нержавеющая сталь, л_ст=17,5 Вт/м^.К. Сумма сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа составит:

, (12)

где r_з=5800 Вт/м^{2 .}К - тепловая проводимость загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа [4, табл. II.2].

м^{2 .}К/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

, (13)

Вт/м^{2 .}К.

Требуемая поверхность теплопередачи:

, (14)

м².

Запас поверхности теплопередачи:

, (15)

%.

Проверим правильность принятого допущения относительно Pr_ст2:

, (16)

°С.

При данной температуре значение величины Pr_ст2=7,35, то есть предположение (Pr₂/Pr_ст2)=1 можно считать верным.

Гидравлическое сопротивление пластинчатого теплообменника можно определить по формуле:

, (17)

где х=1 - число пакетов для данного теплоносителя;

о - коэффициент сопротивления;

w_ш - скорость жидкости в штуцерах.

, (18)

где d_ш=0,05 м -диаметр условного прохода штуцеров.

м/с.

, (19)

где а=19,3 - коэффициент, зависящий от типа пластин.

.

Па.

Вариант II. Рассмотрим пластинчатый теплообменник поверхностью 3,0 м², поверхность пластины 0,3 м², число пластин N=12, масса М=291 кг.

Скорость инвертного сахарного сиропа в шести каналах с площадью поперечного сечения S=0,0011 м² определяется по формуле (5):

м/с.

Значение критерия Рейнольдса для инвертного сахарного сиропа при d_экв=0,008 м определяется по формуле (6):

.

Коэффициент теплоотдачи к инвертному сахарному сиропу определяется по формуле (7):

Вт/м^{2 .}К.

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара примем, что Дt?10°С. В каналах с приведенной длиной L=1,12 м Критерий Рейнольдса определяется по формуле (9):

Коэффициент теплоотдачи от пара определяется по формуле (10):

Вт/м^{2 .}К.

Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (12):

м^{2 .}К/Вт.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле (13):

Вт/м^{2 .}К.

Требуемая поверхность теплообмена рассчитывается по формуле (14):

м².

Запас поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле (15):

%.

Проверим правильность принятого допущения относительно Pr_ст2 по формуле (16): сахарный сироп инвертный теплообменный

°С.

При данной температуре значение величины Pr_ст2=7,34, то есть предположение (Pr₂/Pr_ст2)=1 можно считать верным.

Гидравлическое сопротивление пластинчатого теплообменника можно определить по формуле (17). Для этого предварительно рассчитывается скорость жидкости в штуцерах по формуле (18) и коэффициент сопротивления по формуле (19):

м/с,

,

Па.

Вариант III. Рассмотрим пластинчатый теплообменник поверхностью 4,0 м², поверхность пластины 0,2 м², число пластин N=22, масса М=525 кг.

Скорость инвертного сахарного сиропа в одиннадцати каналах с площадью поперечного сечения S=0,0016 м² определяется по формуле (5):

м/с.

Значение критерия Рейнольдса для инвертного сахарного сиропа при d_экв=0,0076 м определяется по формуле (6):

.

Коэффициент теплоотдачи к инвертному сахарному сиропу определяется по формуле (7):

Вт/м^{2 .}К.

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара примем, что Дt?10°С. В каналах с приведенной длиной L=0,45 м критерий Рейнольдса определяется по формуле (9):

Коэффициент теплоотдачи от пара определяется по формуле (10):

Вт/м^{2 .}К.

Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (12):

м^{2 .}К/Вт.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле (13):

Вт/м^{2 .}К.

Требуемая поверхность теплообмена рассчитывается по формуле (14):

м².

Запас поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле (15):

%.

Проверим правильность принятого допущения относительно Pr_ст2 по формуле (16):

°С.

При данной температуре значение величины Pr_ст2=7,37, то есть предположение (Pr₂/Pr_ст2)=1 можно считать верным.

Гидравлическое сопротивление пластинчатого теплообменника можно определить по формуле (17). Для этого предварительно рассчитывается скорость жидкости в штуцерах по формуле (18) и коэффициент сопротивления по формуле (19):

м/с,

,

Па.

Вариант IV. Рассмотрим пластинчатый теплообменник поверхностью 3,5 м², поверхность пластины 0,042 м², число пластин N=72, масса М=67 кг.

Скорость инвертного сахарного сиропа в 36-ти каналах с площадью поперечного сечения S=0,001 м² определяется по формуле (5):

м/с.

Значение критерия Рейнольдса для инвертного сахарного сиропа при d_экв=0,0076 м определяется по формуле (6):

.

Коэффициент теплоотдачи к инвертному сахарному сиропу определяется по формуле (7):

Вт/м^{2 .}К.

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара примем, что Дt?10°С. В каналах с приведенной длиной L=0,36 м критерий Рейнольдса определяется по формуле (9):

Коэффициент теплоотдачи от пара определяется по формуле (10):

Вт/м^{2 .}К.

Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (12):

м^{2 .}К/Вт.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле (13):

Вт/м^{2 .}К.

Требуемая поверхность теплообмена рассчитывается по формуле (14):

м².

Запас поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле (15):

%.

Проверим правильность принятого допущения относительно Pr_ст2 по формуле (16):

°С.

При данной температуре значение величины Pr_ст2=7,38, то есть предположение (Pr₂/Pr_ст2)=1 можно считать верным.

Гидравлическое сопротивление пластинчатого теплообменника можно определить по формуле (17). Для этого предварительно рассчитывается скорость жидкости в штуцерах по формуле (18) и коэффициент сопротивления по формуле (19):

м/с,

,

Па.

Вариант V. Рассмотрим пластинчатый теплообменник поверхностью 2,0 м², поверхность пластины 0,2 м², число пластин N=12, масса М=480 кг.

Скорость инвертного сахарного сиропа в одиннадцати каналах с площадью поперечного сечения S=0,0016 м² определяется по формуле (5):

м/с.

Значение критерия Рейнольдса для инвертного сахарного сиропа при d_экв=0,0076 м определяется по формуле (6):

.

Коэффициент теплоотдачи к инвертному сахарному сиропу определяется по формуле (7):

Вт/м^{2 .}К.

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара примем, что Дt?10°С. В каналах с приведенной длиной L=0,45 м Критерий Рейнольдса определяется по формуле (9):

Коэффициент теплоотдачи от пара определяется по формуле (10):

Вт/м^{2 .}К.

Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (12):

м^{2 .}К/Вт.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле (13):

Вт/м^{2 .}К.

Требуемая поверхность теплообмена рассчитывается по формуле (14):

м².

Запас поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле (15):

%.

Проверим правильность принятого допущения относительно Pr_ст2 по формуле (16):

°С.

При данной температуре значение величины Pr_ст2=7,35, то есть предположение (Pr₂/Pr_ст2)=1 можно считать верным.

Гидравлическое сопротивление пластинчатого теплообменника можно определить по формуле (17). Для этого предварительно рассчитывается скорость жидкости в штуцерах по формуле (18) и коэффициент сопротивления по формуле (19):

м/с,

,

Па.

Вариант VI. Рассмотрим теплообменник типа «труба в трубе» поверхностью 2,16 м² при длине труб L=6 м.

Критерий Рейнольдса для инвертного сахарного сиропа:

, (20)

где z=1 - число ходов;

n=2 - число теплообменных труб;

d=57х4 мм - диаметр теплообменных труб.

.

Коэффициент теплоотдачи от инвертного сахарного сиропа:

, (21)

Вт/м^{2 .} К.

Коэффициент теплоотдачи от пара:

, (22)

Вт/м^{2 .}К.

Сумма термических сопротивлений стенки труб и загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (12):

м^{2 .} /Вт.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле (13):

Вт/м^{2 .}К.

Требуемая поверхность теплообмена рассчитывается по формуле (14):

м².

Запас поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле (15):

%.

Гидравлическое сопротивление теплообменника типа «труба в трубе» можно рассчитать по формуле:

, (23)

где w_тр - скорость инвертного сахарного сиропа в трубах, м/с;

(24)

w_ш - скорость инвертного сахарного сиропа в штуцерах, м/с;

. (25)

л - коэффициент трения

, (26)

где e=Д/d - относительная шероховатость труб;

Д=0,2^.10^-3 м - высота выступов шероховатостей.

м/с.

м/с.

Вариант VII. Рассмотрим теплообменник типа «труба в трубе» поверхностью 1,08 м² при длине труб 3 м.

Критерий Рейнольдса для инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (20):

.

Коэффициент теплоотдачи от инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (21):

Вт/м^{2 .} К.

Коэффициент теплоотдачи от пара определяется по формуле (22):

Вт/м^{2 .}К.

Сумма термических сопротивлений стенки труб и загрязнений со стороны инвертного сахарного сиропа определяется по формуле (12):

м^{2 .} /Вт.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле (13):

Вт/м^{2 .}К.

Требуемая поверхность теплообмена рассчитывается по формуле (14):

м².

Запас поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле (15):

%.

Гидравлическое сопротивление теплообменника рассчитывается по формуле (23):

м/с.

м/с.

Для выбора оптимального теплообменника результаты вычислений сведем в таблицу.

Таблица1

Показатели	F=4 м2 f= 0,3 м2	F=3 м2 f=0,3 м2	F=4 м2 f=0,2 м2	F=3,5 м2 f=0,042 м2	F=2 м2 f=0,2 м2	F=2,16 м2 L=6 м	F=1,08 м2 L=3 м
К, Вт/м2 .К	835	950,2	484	490,5	747,2	1577,9	1576,2
F, м2	1,7	1,5	2,94	2,9	1,9	0,9	0,9
М, кг	307	291	525	67	480	242,8	120,4
Др, Па	717,1	1023	76,5	521,9	245,1	133,1	122,9
Д, %	135	100	36	20,7	5,3	140	20

Как видно из таблицы уменьшение массы аппаратов сопровождается увеличением гидравлических сопротивлений и, следовательно, ростом энергетических затрат на их преодоление. Значит наиболее подходящим является пластинчатый теплообменник с F=3,5 м² , f=0,042 м².

2.2 Расчет толщины тепловой изоляции аппарата

Толщину тепловой изоляции д_И находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

, (27)

где б_В - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м^{2 .}К:

(28)

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха) принимается равной 40°С;

t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимаем равной температуре греющего пара t₁;

t_В=20°С - температура окружающей среды (воздуха);

л_И - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/м^.К.

Выберем в качестве материала для тепловой изоляции совелит, имеющий коэффициент теплопроводности л_И=0,098 Вт/м^.К [5, табл.XXVIII]

Вт/м^{2 .}К

м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 35 мм.

3. Расчет опор аппарата

Опоры подбираются в соответствии с максимальным весом аппарата, который рассчитывается по формуле:

, (29)

где G=67 кг - масса аппарата;

G_вод - масса воды в аппарате, кг;

g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

, (30)

кг.

кг.

G_max=0,0007 МН.

В соответствии с G_max выбираем две опоры «Опора ОВ-I-Б-600-ОН 26-01-69-68» [3, табл. 14.1].

4. Расчет штуцеров

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

, (31)

где w - средняя скорость потока, принимается в соответствии с [5, табл. 1.1].

Диаметр штуцеров для входа и выхода инвертного сахарного сиропа:

м.

Диаметр штуцеров для входа греющего пара и выхода конденсата:

м.

Принимаем штуцера с D_у= 20 мм.

5. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

5.1 Расчет и подбор насоса

Принимается центробежный насос. Подача насоса Q=3,5^.10^-4 м³/с.

Диаметр трубопровода рассчитывается по формуле:

, (32)

где w - скорость жидкости в трубопроводе, принимается w=2 м/с [5, табл. 1.1].

м.

Принимается трубопровод из нержавеющей стали 15х3 мм.

Напор насоса:

, (33)

где р₁ - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

р₂ - давление в аппарате, в который подается жидкость, Па;

с - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Н_Г - геометрическая высота подъема жидкости, м;

h_П - суммарные потери напора во всасывающей и нагнетательной линиях, м.

Так как р₁=р₂, первое слагаемое в формуле (33) равно нулю.

Геометрический напор Н_Г=3 м.

Суммарные потери напора:

,(34)

где л - коэффициент трения; при турбулентном движении и новых стальных трубах принимается л=0,04;

l - длина трубопровода, принимается l=6 м;

d_э - эквивалентный диаметр трубопровода, м;

Уо - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

На данном участке трубопровода имеются следующие местные сопротивления:

- вход в трубу, о=0,5;

- выход из трубы, о=1;

- нормальный вентиль, 4 шт., о=10,5;

- колено с углом 90є, 5 шт., о=2,16;

- пластинчатый теплообменник, о=8,8.

м.

Полный напор составит:

м.

Наиболее близко по данной производительности и напору подходит насос марки Х2/25 с производительностью Q=4,2^.10^-4 м³/с, напором Н=25 м, частотой вращения вала n=50 с^-1, КПД з=0,4, мощностью электродвигателя N_Н=1,1 кВт.

Вывод

В данном проекте был рассчитан и спроектирован теплообменник выносного контура подогрева инертного сахарного сиропа.

Наиболее подходящим теплообменником для проведения этого процесса с определённым расходом сиропа оказался пластинчатый теплообменник, поскольку именно такие теплообменники используют для подогрева и охлаждения воды, квасного сусла, сахарного и купажного стропа, готового кваса. Они компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин. Пластинчатый теплообменник с поверхностью теплообмена 3,5 м² и массой 67 кг применяют для проведения данного процесса с запасом 20,7%

Следует отметить ещё одно неоспоримое преимущество этих аппаратов: лёгкость мойки и чистки, что облегчает поддержание надлежащего санитарно-гигиенического состояния.

Также были проведены расчеты толщины тепловой изоляции аппарата, диаметров штуцеров, подбор опор аппарата, расчет и подбор насоса.

Список использованной литературы

1. Гинзбург А.С., Громов М.А., Красовская Г.И. "Тепло - физические характеристики пищевых продуктов. Справочник" Изд. 2-е перераб. - М.: "Пищевая промышленность", 1980.

2. Каталог пластинчатых теплообменников. Н.Н.: Ридан, 2007 - 28 с.

3. Лащинский А. А., Толщинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / Л.: Машиностроение , 1970.-752 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии : Пособие по проектированию / Г.С. Борисов , В.П. Брыков , Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского. Л.: Химия, 1983 - 272 с.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

6. Тихомиров В.Г. Технология пивоваренного и безалкогольного производств. М.: Колос, 1999 - 448 с.

7. Чубик И.А., Маслов А.М. "Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов"- М.: "Пищевая промышленность", 1965.

Размещено на Allbest.ru

...