Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Вибір конструкції теплообмінних апаратів

2. Опис, проектованого апарата

3. Конструкція, призначення, переваги та недоліки теплообмінника

4. Розрахунки

4.1 Тепловий розрахунок при w = 0,6 м/с

4.2 Конструктивний розрахунок

4.3 Гідравлічний розрахунок

4.4 Тепловий розрахунок при w = 0.8 м/с

4.5 Конструктивний розрахунок

4.6 Гідравлічний розрахунок

4.7 Тепловий розрахунок при w = 1,0 м/с

4.8 Конструктивний розрахунок

4.9 Гідравлічний розрахунок

4.10 Розрахунок теплової ізоляції

4.11 Техніко-економічний розрахунок

4.12 Графік оптимізації

5. Умови безпечної експлуатації і питання екології

6. Опис технологічної схеми підключення апарату

Висновок

Література

Вступ

Теплообмінні апарати набули досить широкого розповсюдження у різних галузях промисловості, і особливо важливими вони є для підприємств харчової промисловості. Теплові процеси, що відбуваються в теплообмінниках, можуть бути найрізноманітнішими: нагрівання, охолодження, випаровування, кипіння, конденсація, затвердіння і більш складні процеси, що включають в себе декілька з перерахованих. У процесі теплообміну може брати участь кілька теплоносіїв: тепло від одного з них може передаватися кільком і від кількох одному.

В основі теплообмінника лежить процес теплопередачі від гарячого теплоносія до холодного, рушійною силою якого є різниця температур між теплоносіями.

Так як харчові продукти дуже чутливі до змін температури, то розрахунок i підбір конструкції теплообмінника посідає важливе місце при проектуванні апаратів.

Дана курсова робота направлена на розрахунок оптимального варіанту елементного теплообмінника типу "Труба в трубі", який повинен забезпечити нагрівання рідини до певної температури та з певною продуктивністю, з найменшими затратами на виготовлення теплообмінника та на його експлуатацію.

Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого. Необхідною і достатньою умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти.

Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим теплоносієм (водяна пара, гаряча вода, нагріте повітря, димові гази, гарячі мінеральні масла), а речовину з нижчою температурою - холодним (вода, повітря, ропа, аміак, фреони).

Існує три способи передачі теплоти: теплопровідність, конвекція і випромінювання.

Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла.

Конвекцією називається процес поширення теплоти внаслідок руху рідини або газу. За природою виникнення розрізняють два види руху рідини: вільний і примусовий.

Випромінюванням називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами.

Тепловіддачею називають процес теплообміну між твердою стінкою (тілом) і рідким (газоподібним) середовищем, що її омиває.

Теплопередачею називається процес теплообміну між двома середовищами, розділеними твердою перегородкою.

Класифікація теплообмінників

Теплообмінники поділяються на такі типи:

· теплообмінники, у яких передача тепла є основним процесом;

· реактори, у яких тепловий процес відіграє допоміжну роль,

Класифікувати теплообмінники можна за такими ознаками:.

1. За способом передачі тепла :

· змішування - робітничі середовища безпосередньо стикаються або перемішуються;

· поверхневі теплообмінники -- рекуператори, у яких тепло передається через поверхню нагрівання -- тверду (металеву) стінку, що розділяє ці середовища.

В поверхневих теплообмінниках обидва теплоносії відокремлені один від одного твердою стінкою або по черзі контактують з однією і тією самою стінкою, яка бере участь у процесі теплообміну й утворює так звану поверхню теплообміну. Поверхневі теплообмінники, у свою чергу, поділяють на рекуперативні і регенеративні. В рекуперативних апаратах один бік поверхні теплообміну весь час омиває гарячий теплоносій, а другий - холодний. Теплота від одного теплоносія до другого передається крізь стінку з теплопровідністю матеріалу, що їх розділяє. У регенеративних апаратах одна й та сама поверхня теплообміну поперемінно омивається то одним, то другим теплоносієм. У період нагрівання, тобто під час контакту з гарячим теплоносієм, у твердих тілах, що заповнюють апарат, акумулюється теплота, яка в період охолодження віддається рухомому холодному теплоносію.

2. За основним призначенням розрізняються підігрівники:

· випарники;

· холодильники;

· конденсатори;

· 3. В залежності від виду робочих середовищ розрізняються теплообмінники:

· рідинно-рідинні -- при теплообміні між двома рідкими середовищами;

· паро-рідинні -- при теплообміні між парою i рідиною (парові підігрівники, конденсатори);

· газорідинні -- при теплообміні між газом i рідиною (холодильники для повітря) i ін.

4. За тепловим режимом розрізняються теплообмінники:

· періодичної дії, у яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес;

· безперервної дії - зі сталим у часі процесом.

У теплообмінниках періодичної дії тепловій обробці піддається окрема порція (завантаженого) продукту; в наслідок зміни властивостей продукту i його кількості параметри процесу безперервно варіюють, у робочому режимі апарата в часі.

При безперервному процесі параметри його також змінюються, але уздовж проточної частини апарата, залишаючись постійними в часі в даному перерізі потоку. Безперервний процес характеризується сталістю теплового режиму i витрати робітничих середовища, що протікають через теплообмінник.

Види теплообмінних апаратів:

§ Кожухотрубні теплообмінники - вони найпоширеніші в харчовій промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті , прості у виготовлені й надійні в експлуатації. Недоліком такого теплообмінника є складність очищення внутрішньої поверхні труб.

§ Теплообмінники типу „труба в трубі” - завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках досягають високих швидкостей руху теплоносіїв. Проте ці теплообмінники дуже громіздкі та металомісткі.

§ Заглибні теплообмінники - виготовляють у вигляді змійовиків. Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках порівняно низький, але через простоту виготовлення вони набули значного поширення. Порівняно великий гідравлічний опір змійовика.

§ Зрошувальні теплообмінники - застосовують переважно як холодильники. Вони прості за будовою, але досить громіздкі. Теплообмін від труб до зрошувальної води вони характеризується невисокими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі.

§ Спіральні теплообмінники - переваги спіральних теплообмінників - компактність, можливість пропускання обох теплоносіїв з високими швидкостями, що забезпечує великий коефіцієнт теплопередачі. При однакових швидкостях робочих середовищ у спіральних теплообмінниках гідравлічний опір менший, ніж у кожухотрубних. Недоліками спіральних теплообмінників слід вважати складність виготовлення та низький робочий тиск - до 10⁶ Па.

§ Пластинчасті теплообмінники - поверхню теплообміну в них створюють гофровані паралельні пластини. Конструктивні, експлуатаційні та теплотехнічні переваги пластинчастих теплообмінників сприяють дедалі ширшому застосуванню їх на підприємствах харчової промисловості. Недолік їх - велика кількість довгих ущільнювальних прокладок.

§ Ребристі теплообмінники - таку конструкцію часто використовують у теплообмінниках газ-рідина або газ-пара, в яких при оптимальній конструкції поверхня з боку газу має бути максимальна, наприклад, в калориферах для нагрівання повітря парою в сушильних установках, а також в апаратах повітряного охолодження.

§ Оболонкові теплообмінники - застосування таких апаратів обмежене невеликими поверхнею теплообміну (до 10 м²) і тиском в оболонці (до 1 МПа).

Як теплоносій найбільш широко застосовуються насичена чи злегка перегріта водяна пара. У змішувальних апаратах, пар як правило барботують у рідину (впускають під рівень рідини); при цьому конденсат пари змішується з продуктом, що не завжди припустимо. У поверхневих апаратах пар конденсується на поверхні нагрівання i конденсат віддаляється окремо від продукту за допомогою водо-відвідників. Водяний пар як теплоносій має безліч переваг: легкість транспортування по трубах і регулювання температури, високою інтенсивністю тепловіддачі та iн. Застосування пари особливо вигідно при використанні принципу багаторазового випарювання, коли з продукту вода направляється у вигляді пари, що гріє, інші випарні апарати i підігрівники.

0бiгpiв гарячою водою i рідинами також має широке застосування i вигідне при вторинному використанні. Тепло конденсатів i рідини (продуктів), що по ходу технологічного процесу нагріваються до високої температури. У порівнянні з паром, рідинний підігрів менш інтенсивний. Однак регулювання процесу i транспорт рідини так само зручний, як i при паровому обігріві.

Загальним недоліком парового i водяного обігріву є швидкий ріст тиску з підвищенням температури. В умовах технологічної апаратури харчових виробництв при паровому i водяному обігріві найвищі температури обмежені 150 - 160 ⁰С, що відповідає тиску (5 - 7) 10⁵ Па.

В окремих випадках (у консервній промисловості) застосовується масляний обігрів, що дозволяє при атмосферному тиску досягти температур до 200⁰С.

Широко застосовується обігрів гарячими газами i повітрям (до 300 - 1000 ⁰С) у печах, сушильних установках. Газовий обігрів має велику кількість недоліків: труднощі регулювання i транспортування теплоносія, малою інтенсивністю теплообміну, забрудненням поверхні апаратури (при використанні топкових газів) i ін. Однак у ряді випадків він є єдино можливим (наприклад, у повітряних сушарках) .

У холодильній техніці використовуються ряд холодоагентів: повітря, вода, розсоли, аміак, вуглекислота, фреон та ін.

При будь-якому використанні теплоносіїв i холодоагентів, теплові i масообміні процеси підлеглі основному технологічному процесу виробництва, заради якого створюється теплообмінні апарати й установки. Тому рішення задач оптимізації теплообміну підлеглі умовам раціонального технологічного процесу.

При виборі системи охолодження й форми охолодних елементів необхідно враховувати такі фактори.

1. Абсолютна безпека при експлуатації апаратів. Відповідно до інструкції щодо техніки безпеки або норм на апарати, які працюють під тиском, у випадку застосування аміачної системи охолодження останню повинні прийняти відповідні органи.

2. Повне використання охолоджувальної поверхні.

Для нагрівання та охолодження рідких середовищ розроблені теплообмінники різноманітних конструкцій. Одним з них є теплообмінник типу "Труба в трубі" конструкція якого розглядається в даній курсовій роботі. Такі теплообмінники широко застосовуються в харчовій промисловості.

1. Вибір конструкції теплообмінних апаратів

Конкретна задача нагрівання чи охолодження даного продукту може бути вирішена за допомогою різних теплообмінників. Конструкцію теплообмінника варто вибирати, виходячи з наступних основних вимог, пропонованих до теплообмінних апаратів.

Найважливішою вимогою є відповідність апарата технологічному процесу обробки даного продукту; це досягається за таких умов:

· підтримка необхідної температури процесу;

· забезпечення можливості регулювання температурного режиму;

· відповідність робочих швидкостей продукту мінімально необхідної тривалості перебування продукту в апараті;

· вибір матеріалу апарата відповідно до хімічних властивостей продукту;

· відповідність апарата тискам робітничих середовищ.

Другою вимогою є висока ефективність (продуктивність) i економічність роботи апарата, зв'язані з підвищенням інтенсивності теплообміну й одночасно з

дотриманням оптимальних гідравлічних опорів апарата. Ці вимоги звичайно виконуються при дотриманні наступних умов:

· достатні швидкості однофазних робітничих середовищ для здійснення турбулентного режиму;

· сприятливий відносний рух робітничих середовищ (звичайно краще протиток);

· досягнення відповідних термічних опорів по обидва боки стінки поверхні нагрівання;

· запобігання можливості забруднення i легке чищення поверхні нагрівання, мікробіологічна чистота й ін.

Ряд факторів визначає надійність роботи апарата та зручність його експлуатації: компенсація температурних деформацій, міцність, i щільність рознімних з'єднань, доступ для огляду i чищення, зручність контролю за роботою апарата, зручність з'єднання апарата з трубопроводами i т.д.

2. Опис теплообмінного апарату типу “труба в трубі”

Принцип роботи заснований на постійному контакті теплоносія з оброблюваної рідиною, використовується в технологічних системах для нагрівання або охолодження теплоносія з невеликою поверхнею теплообміну. Застосовуються теплообмінники з такою конструкцією і в харчовій промисловості, наприклад у виноробстві і при виробництві молочних продуктів.

Завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках „труба в трубі” досягають високих швидкостей руху теплоносіїв (для рідин 1,0...1,5 м/с) і високої інтенсивності теплообміну. Проте ці теплообмінники дуже громіздкі та маломісткі. Тому їх використовують лише при малих об'ємних витратах теплоносія і незначних поверхнях теплообміну.

Теплообмінники „труба в трубі” застосовують при незначних витратах теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами і між рідиною та парою, що конденсується. Ці апарати прості, їх легко виготовляти, вони дають можливість здійснити чисту протитечію і досягати високих швидкостей руху для теплоносіїв. Проте при значних теплових навантаженнях вони громіздкі і матеріалоємні.

3. Конструкція теплообмінника типу "Труба в трубі"

Двотрубні теплообмінник по ГОСТ 9930-78 виготовляються з площею теплообміну від 0,5 до 93 м. Апарат являє собю набір послідовно з'єднаних елементів, складених з концентрично розташованих труб.

Рис. 1. Схема елемента теплообмінника

Один тепоносій рухається по внутрішнім трубам 1, другий по кільцевому зазору між внутрішніми та зовнішніми трубами 2. Внутрішні труби 1 з'єднані за допомогою калачів 5, а зовнішні за допомогою з'єднувальних патрубків 3. Довжина елемента теплообмінника типу “труба в трубі” зазвичай складає 3 - 6 м, діаметр зовнішньої труби 67 - 159 мм, а внутрішньо 57 - 108 мм.

Теплообмінні апарати типу «труба в трубі» досить широко використовуються в харчовій промисловості. Вони можуть бути нерозбірними, коли теплообмінні труби з'єднані жорсткою сваркою, або розбірними, які мають розподільні камери і кришки, які з'єднані з теплообмінними трубами та кожухами за допомогою фланцевих потовщень. Крім того вони можуть бути однопоточними, двопоточними та багатопоточними

Однотрубні теплообмінники складаються з окремих елементів типу «труба в трубі» (мал. 1); кожен елемент складається з двох труб, вставлених одна в іншу. Елементи з'єднані в батарею послідовно, чи паралельно комбіновано.

При цьому труби з'єднують із трубами i кільцеві простори з кільцевими просторами. Швидкість робочих тіл i коефіцієнт теплопередачі k залежать від діаметрів внутрішньої i зовнішньої труб; при виборі відповідних діаметрів можна обом робочим тілам дати бажану швидкість i досягти високих значень.

Переваги теплообмінників "труба в трубі":

- високий коефіцієнт теплопередачі в наслідок великої швидкості обох теплоносіїв;

- простота виготовлення.

Недоліки цих теплообмінників:

- громіздкість;

- висока вартість зважаючи на велику витрату металу на зовнішні труби, що не беруть участь в теплообміні;

- незручність очищення міжтрубного простору.

4. Розрахунки

Вихідні дані:

Продуктивність: G = 16т/год = 4,4 кг/с

Тиск водяної пари: Р = 0,10 МПа

Початкова температура цукрового розчину:

Кінцева температура цукрового розчину:

Концентрація: Б = 20%

Швидкість цукрового розчину, що рухається:

Швидкість пари, що рухається:

Початкова температура пари:

Кінцева температура пари:

4.1 Тепловий розрахунок для швидкості w = 0,6 м/с

1. Обчислюємо середню різницю температур теплоносія і продукту:

Знаходимо середній температурний напір:

2. Теплофізичні властивості визначаються за теплофізичним довідником:

Знаходимо середню температуру цукрового розчину:

л₂ = 0,5757 Вт/(м·К)

с₂ = 1065 кг/м³

м₂ = 0,8881·10^-3 Па·с

С₂ = 3767 Дж/(кг·К)

Pr₂ = 5,82

Знаходимо середню температуру підігріваючої пари:

с₂ = 0,5903 кг/м³

I2 =2679 кДж/кг

r = 2550 кДж/кг

3. Теплове навантаження теплообмінника знаходимо з рівнянь теплового балансу

Q=Q₁+Q₂

де Q₁ - кількість теплоти, віддану гарячим теплоносієм, Дж/с;

Q ₂ - кількість теплоти, передана холодному теплоносію, Дж/с.

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, Дж/с або Вт

Q₂ = G₂·С₂· (t_2к - t_2п)

G₂ - витрати цукрового розчину, кг/с; С₂ - теплоємність цукрового розчину, Дж/(кг·К)

Q2 = 4,4· 3767(90 - 20) = 1660236 Вт

Порівняно велике значення Q2 спричинене великим значенням G₂ вихідних і різниці = t_2к - t_2п. теплообмінний апарат проектування

Отже, якщо знехтувати витратами в навколишнє середовище, то можна знайти витрати гарячого теплоносія G₁ з рівняння теплового балансу

Але, якщо в якості гарячого теплоносія використовують насичену водяну пару, то витрати, згідно рівняння теплового балансу становлять:



де, і_к - ентальпія конденсату,

І - ентальпія гріючої пари

Дж/кг

тоді

4. Задаємо наближене значення швидкості руху продукту (цукровий розчин) у внутрішній трубі апарата: w₂=0,6 м/c. Розраховуємо внутрішній діаметр внутрішньої труби теплообмінника за формулою:

де с₂ - густина цукрового розчину, що нагрівається, кг/м³,

щ₂ - швидкість цукрового розчину, що рухається, м/с

Уточнюємо значення швидкості руху продукту:

Критерій Рейнольдса для потоку продукту за формулою:

6. Задаємо наближене значення швидкості руху гарячого теплоносія (пари) у міжтрубному кільцевому каналі апарата: w₁=20м/c.

Розраховуємо внутрішній діаметр зовнішньої труби теплообмінника за формулою:

де

Уточнюємо значення швидкості руху пари в між трубному кільцевому каналі:

Еквівалентний діаметр потоку води в кільцевому каналі

D_е=D_в-d₃=0,117-0,101=0,016м

Розраховуємо критерій Рейнольдса



7. Розраховуємо критерій Нуссельта

(Re>10000 - турбулентний режим)

Приймемо , тоді

Pr1 = 1,02

8. За знайденою величиною визначаємо коефіцієнти тепловіддачі

б_1, б₂ - коефіцієнти тепловіддачі відповідно для гарячого і холодного

носія, Вт/(м²·К)

9. Визначаємо загальний коефіцієнт теплопередачі К₀

Матеріал приймаємо нержавіючу сталь, теплопровідність якої 17,5 Вт/(м·К)

10. Визначаємо площу поверхні теплообмінника за формулою:

4.2 Конструктивний розрахунок

1. Визначаємо загальну довжину труби:

2. Кількість елементів теплообмінника

де l₁ - довжина труби, яка лежить в межах 3…6 м.

Кількість секцій в апараті по горизонталі n=5

Кількість елементів по вертикалі в кожній секції

Кількість «калачів» у кожній секції

n_к=nc-1=6-1=5

Загальна кількість «калачів» у n секціях

n_к.заг=n_к·n=5·5=25

Загальна кількість «калачів» що об'єднують секції

n_к=n-1=5-1=4

Відстань між осями елементів у секціях

h₁=2D_з,

де D_з= D_в+д+д=0,117+0,004+0,004=0,125м

h₁=2·0,125=0,25м

Довжина потоку продукту в одному калачі

l_к=0,5рh₁=0,5·3,14·0,25=0,392м

Загальна довжина шляху руху потоку продукту від входу до виходу з апарата

L₂^?=(n?_к.заг +n_к)l_к + L₀=(25+5)·0,392+129=140м

Конструктивна загальна довжина шляху руху продукту від входу до виходу з апарата

L₂=1,03· L₂^?=1,03·140=144,2м

Кількість патрубків, що з'єднують елементи однієї секції,

m=n_c-1=6-1=5

Кількість патрубків, що з'єднують секції

m_п=n-1=6-1=5

Довжина одного з'єднувального патрубка

l_п=D_з=0,125м

Діаметр патрубків визначаємо за формулою:

для продукту

для пари

Загальна довжина з'єднувальних патрубків в апараті

L_п=(mn)l_п+m_пl_п=l_п(mn+m_п)=0,125(5·6+5)=4.37м

Загальна довжина шляху руху потоку води від входу до виходу з апарата

L₁^?=L₀+L_п=129+4,37=133,4м

Конструктивна загальна довжина шляху руху потоку води від входу до виходу з апарата

L₁=1,03· L₁^?=1,03·133,4=137,4м

Внутрішні діаметри вхідних та вихідних патрубків для продукту та пари беремо з рівняння внутрішніх діаметрів, відповідно для продукту (d_в) і пари (D_в).

4.3 Гідравлічний розрахунок

Коефіцієнт гідравлічного тертя для потоку холодного теплоносія (цукрового розчину)



Коефіцієнти місцевих опорів для потоку продукту:

- на вході в апарата ;

- на виході з апарата ;

- повороту через “калач” .

Сума коефіцієнтів місцевих опорів для потоку продукту

Сумарні втрати напору потоку продукту від входу до виходу з апарата

Па

Витрати енергії на переміщення продукту від входу до виходу з апарата з урахуванням загального ККД () живильного трубопроводу та приводу насоса

Вт

Коефіцієнт гідравлічного тертя для потоку гарячого теплоносія (пари)

Коефіцієнти місцевих опорів для потоку гарячого теплоносія:

- на вході в апарата ;

- на виході з апарата ;

- на вході в між трубний простір під кутом 90° до напрямку руху потоку

;

- на виході із між трубного простору під кутом 90°

Сума коефіцієнтів місцевих опорів для потоку пари

Сумарні втрати напору пари від входу до виходу з апарата

Па

Витрати енергії на переміщення пари в між трубному просторі апарата з урахуванням загального ККД живильного трубопроводу та приводу насоса

Вт = 5 кВт

N = N1+N2=5+0,131=5,131кВт

4.4 Тепловий розрахунок для швидкості w = 0,8 м/с

1. Обчислюємо середню різницю температур теплоносія і продукту:

Знаходимо середній температурний напір:

2. Теплофізичні властивості визначаються за теплофізичним довідником:

Знаходимо середню температуру цукрового розчину:

л₂ = 0,5757 Вт/(м·К)

с₂ = 1065 кг/м³

м₂ = 0,8881·10^-3 Па·с

С₂ = 3767 Дж/(кг·К)

Pr₂ = 5,82

Знаходимо середню температуру підігріваючої пари:

с₂ = 0,5903 кг/м³

I2 =2679 кДж/кг

r = 2550 кДж/кг

3. Теплове навантаження теплообмінника знаходимо з рівнянь теплового балансу

Q=Q₁+Q₂

де Q₁ - кількість теплоти, віддану гарячим теплоносієм, Дж/с;

Q ₂ - кількість теплоти, передана холодному теплоносію, Дж/с.

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, Дж/с або Вт

Q₂ = G₂·С₂· (t_2к - t_2п)

G₂ - витрати цукрового розчину, кг/с; С₂ - теплоємність цукрового розчину, Дж/(кг·К)

Q2 = 4,4· 3767(90 - 20) = 1160236 Вт

Порівняно велике значення Q2 спричинене великим значенням G₂ вихідних і різниці = t_2к - t_2п.

Отже, якщо знехтувати витратами в навколишнє середовище, то можна знайти витрати гарячого теплоносія G₁ з рівняння теплового балансу

Але, якщо в якості гарячого теплоносія використовують насичену водяну пару, то витрати, згідно рівняння теплового балансу становлять:

де, і_к - ентальпія конденсату,

І - ентальпія гріючої пари

Дж/кг

4. Задаємо наближене значення швидкості руху продукту (цукровий розчин) у внутрішній трубі апарата: w₂=0,8 м/c

Уточнюємо значення швидкості руху продукту

Критерій Рейнольдса для потоку продукту

6. Задаємо наближене значення швидкості руху гарячого теплоносія (пари) у міжтрубному кільцевому каналі апарата: w₁=0,4м/c.

Уточнюємо значення швидкості руху пари в між трубному кільцевому каналі:

Еквівалентний діаметр потоку води в кільцевому каналі

D_е=D_в-d₃=0,107-0,089=0,018м

Розраховуємо критерій Рейнольдса

7. Розраховуємо критерій Нуссельта

(Re>10000 - турбулентний режим)

8. За знайденою величиною визначаємо коефіцієнти тепловіддачі

б_1, б₂ - коефіцієнти тепловіддачі відповідно для гарячого і холодного

носія, Вт/(м²·К)

9. Визначаємо загальний коефіцієнт теплопередачі К₀

Матеріал приймаємо нержавіючу сталь, теплопровідність якої 17,5 Вт/(м·К)

10. Визначаємо площу поверхні теплообмінника за формулою:

4.5 Конструктивний розрахунок

1. Визначаємо загальну довжину труби:

2. Кількість елементів теплообмінника

де l₁ - довжина труби, яка лежить в межах 3…6 м.

Кількість секцій в апараті по горизонталі n=5

Кількість елементів по вертикалі в кожній секції

Кількість «калачів» у кожній секції

n_к=nc-1=6-1=5

Загальна кількість «калачів» у n секціях

n_к.заг=n_к·n=6·5=25

Загальна кількість «калачів» що об'єднують секції

n_к=n-1=5-1=4

Відстань між осями елементів у секціях

D_з= D_в+д+д=0,107+0,004+0,004=0,115м

h₁=2·0,118=0,23м

Довжина потоку продукту в одному калачі

l_к=0,5рh₁=0,5·3,14·0,23=0,361м

Загальна довжина шляху руху потоку продукту від входу до виходу з апарата

L₂^?=(n?_к.заг +n_к)l_к + L₀=(35+4)·0,361+125,8=138,44м

Конструктивна загальна довжина шляху руху продукту від входу до виходу з апарата

L₂=1,03· L₂^?=1,03·138,44=142,6

Кількість патрубків, що з'єднують елементи однієї секції,

m=n_c-1=6-1=5

Кількість патрубків, що з'єднують секції

m_п=n-1=5-1=4

Довжина одного з'єднувального патрубка

l_п=D_з=0,115м

Загальна довжина з'єднувальних патрубків в апараті

L_п=(mn)l_п+m_пl_п=l_п(mn+m_п)=0,115(5·5+5)=3,4м

Загальна довжина шляху руху потоку води від входу до виходу з апарата

L₁^?=L₀+L_п=125,8+3,5=129,2

Конструктивна загальна довжина шляху руху потоку води від входу до виходу з апарата

L₁=1,03· L₁^?=1,03·129,2=133

Внутрішні діаметри вхідних та вихідних патрубків для продукту та пари беремо з рівняння внутрішніх діаметрів, відповідно для продукту (d_в) і пари (D_в).

4.6 Гідравлічний розрахунок

Коефіцієнт гідравлічного тертя для потоку холодного теплоносія (цукрового розчину)

Коефіцієнти місцевих опорів для потоку продукту:

- на вході в апарата ;

- на виході з апарата ;

- повороту через “калач” .

Сума коефіцієнтів місцевих опорів для потоку продукту

Сумарні втрати напору потоку продукту від входу до виходу з апарата

Па

Витрати енергії на переміщення продукту від входу до виходу з апарата з урахуванням загального ККД () живильного трубопроводу та приводу насоса

Вт

Коефіцієнт гідравлічного тертя для потоку гарячого теплоносія (пари)

Коефіцієнти місцевих опорів для потоку гарячого теплоносія:

- на вході в апарата ;

- на виході з апарата ;

- на вході в між трубний простір під кутом 90° до напрямку руху потоку

;

- на виході із між трубного простору під кутом 90°

Сума коефіцієнтів місцевих опорів для потоку пари

Сумарні втрати напору пари від входу до виходу з апарата

Па

Витрати енергії на переміщення пари в між трубному просторі апарата з урахуванням загального ККД живильного трубопроводу та приводу насоса

Вт = 3,5 кВт

N= 3,5+0,271=3,8 кВт

4.7 Тепловий розрахунок для швидкості w = 1,0 м/с

1. Обчислюємо середню різницю температур теплоносія і продукту:

Знаходимо середній температурний напір:

2. Теплофізичні властивості визначаються за теплофізичним довідником:

Знаходимо середню температуру цукрового розчину:

л₂ = 0,5757 Вт/(м·К)

с₂ = 1065 кг/м³

м₂ = 0,8881·10^-3 Па·с

С₂ = 3767 Дж/(кг·К)

Pr₂ = 5,82

Знаходимо середню температуру підігріваючої пари:

с₂ = 0,5903 кг/м³

I2 =2679 кДж/кг

r = 2550 кДж/кг

3. Теплове навантаження теплообмінника знаходимо з рівнянь теплового балансу

Q=Q₁+Q₂

де Q₁ - кількість теплоти, віддану гарячим теплоносієм, Дж/с;

Q ₂ - кількість теплоти, передана холодному теплоносію, Дж/с.

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, Дж/с або Вт

Q₂ = G₂·С₂· (t_2к - t_2п)

G₂ - витрати цукрового розчину, кг/с; С₂ - теплоємність цукрового розчину, Дж/(кг·К)

Q2 = 4,4· 3767(90 - 20) = 1160236 Вт

Порівняно велике значення Q2 спричинене великим значенням G₂ вихідних і різниці = t_2к - t_2п.

Отже, якщо знехтувати витратами в навколишнє середовище, то можна знайти витрати гарячого теплоносія G₁ з рівняння теплового балансу

Але, якщо в якості гарячого теплоносія використовують насичену водяну пару, то витрати, згідно рівняння теплового балансу становлять:

Дж/кг

4. Задаємо наближене значення швидкості руху продукту (цукровий розчин) у внутрішній трубі апарата: w₂=1,0 м/c

Уточнюємо значення швидкості руху продукту

Критерій Рейнольдса для потоку продукту

6. Задаємо наближене значення швидкості руху гарячого теплоносія (пари) у міжтрубному кільцевому каналі апарата: w₁=0,4м/c.

Уточнюємо значення швидкості руху пари в між трубному кільцевому каналі:

Еквівалентний діаметр потоку води в кільцевому каналі

D_е=D_в-d₃=0,100-0,080=0,02м

Розраховуємо критерій Рейнольдса

7. Розраховуємо критерій Нуссельта

(Re>10000 - турбулентний режим)

8. За знайденою величиною визначаємо коефіцієнти тепловіддачі

б_1, б₂ - коефіцієнти тепловіддачі відповідно для гарячого і холодного

носія, Вт/(м²·К)

9. Визначаємо загальний коефіцієнт теплопередачі К₀

Матеріал приймаємо нержавіючу сталь, теплопровідність якої 17,5 Вт/(м·К)

10. Визначаємо площу поверхні теплообмінника за формулою:

4.8 Конструктивний розрахунок

1. Визначаємо загальну довжину труби:

2. Кількість елементів теплообмінника

де l₁ - довжина труби, яка лежить в межах 3…6 м.

Кількість секцій в апараті по горизонталі n=5

Кількість елементів по вертикалі в кожній секції

Кількість «калачів» у кожній секції

n_к=nc-1=6-1=5

Загальна кількість «калачів» у n секціях

n_к.заг=n_к·n=5·5=25

Загальна кількість «калачів» що об'єднують секції

n_к=n-1=5-1=4

Відстань між осями елементів у секціях

D_з= D_в+д+д=0,100+0,004+0,004=0,108м

h₁=2·0,108=0,216м

Довжина потоку продукту в одному калачі

l_к=0,5рh₁=0,5·3,14·0,216=0,339м

Загальна довжина шляху руху потоку продукту від входу до виходу з апарата

L₂^?=(n?_к.заг +n_к)l_к + L₀=(25+4)·0,339+125 = 134м

Конструктивна загальна довжина шляху руху продукту від входу до виходу з апарата

L₂=1,03· L₂^?=1,03·134=138,8 м

Кількість патрубків, що з'єднують елементи однієї секції,

m=n_c-1=6-1=5

Кількість патрубків, що з'єднують секції

m_п=n-1=5-1=4

Довжина одного з'єднувального патрубка

l_п=D_з=0,108м

Загальна довжина з'єднувальних патрубків в апараті

L_п=(mn)l_п+m_пl_п=l_п(mn+m_п)=0,108(5·5+4) = 3,1м

Загальна довжина шляху руху потоку води від входу до виходу з апарата

L₁^?=L₀+L_п=125+3,1=128,1

Конструктивна загальна довжина шляху руху потоку води від входу до виходу з апарата

L₁=1,03· L₁^?=1,03·128,1 = 131,9 м

Внутрішні діаметри вхідних та вихідних патрубків для продукту та пари беремо з рівняння внутрішніх діаметрів, відповідно для продукту (d_в) і пари (D_в).

4.9 Гідравлічний розрахунок

Коефіцієнт гідравлічного тертя для потоку холодного теплоносія (цукрового розчину)

Коефіцієнти місцевих опорів для потоку продукту:

- на вході в апарата ;

- на виході з апарата ;

- повороту через “калач” .

Сума коефіцієнтів місцевих опорів для потоку продукту

Сумарні втрати напору потоку продукту від входу до виходу з апарата

Па

Витрати енергії на переміщення продукту від входу до виходу з апарата з урахуванням загального ККД () живильного трубопроводу та приводу насоса

Вт

Коефіцієнт гідравлічного тертя для потоку гарячого теплоносія (пари)

Коефіцієнти місцевих опорів для потоку гарячого теплоносія:

- на вході в апарата ;

- на виході з апарата ;

- на вході в між трубний простір під кутом 90° до напрямку руху потоку

;

- на виході із між трубного простору під кутом 90°

Сума коефіцієнтів місцевих опорів для потоку пари

Сумарні втрати напору пари від входу до виходу з апарата

Па

Витрати енергії на переміщення пари в між трубному просторі апарата з урахуванням загального ККД живильного трубопроводу та приводу насоса

Вт=3,5кВт

N=3,5+0,419=3,9кВт

4.10 Розрахунок теплової ізоляції

Товщину ізоляції розраховують з рівності двох питомих теплових потоків через товщу ізоляцію

де д - товщина ізоляційного шару, мм

t_а - температура в апараті, єС

t_і - температура на поверхні ізоляційного матеріалу, єС

t_п - температура повітря в приміщенні, єС.

Ізоляційний матеріал приймаємо скловату.

Його коефіцієнт теплопровідності л = 0,05 Вт/(м К).

Основна характеристика ізоляційних матеріалів - коефіцієнт теплопровідності

Для нашого теплообмінника:

t_{a =} 110єС

t_i = 42єC

t_П = 18єС

б = 9,76 + 0,05·(42 - 18) = 10,5 Вт/(м² К)

Отже, товщина ізоляційного шару:

4.11 Тезніко-економічний розрахунок

Техніко-економічний розрахунок дозволяє знайти оптимальні умови праці цих апаратів з врахуванням капітальних затрат, амортизації обладнання і експлуатаційних витрат.

Оптимальна швидкість руху рідини відповідає мінімуму функції:

К_У = К_А + К_Е

де К_У - сумарні витрати, грн/рік,

К_А - амортизаційні витрати, грн/рік,

К_Е - експлуатаційні витрати, грн/рік.

1. Амортизаційні витрати:

К_А = F·C_F·a

де F - поверхня теплообміну, м²

С_F - вартість 1 м² поверхні теплообміну апарату, грн./м²,

С_F = 2000 грн./м²

а - річна доля амортизаційних відрахувань, %, а = 0,03%

2. Експлуатаційні витрати:

К_Е = N·C_E·ф

де N - потужність електродвигунів насосів, кВт,

С_Е - вартість 1 кВт·год електроенергії, грн/(кВт год)

С_Е = 0,45 грн/(кВт год)

ф - тривалість роботи апарату в році, год/рік

ф = 7400 год/рік

при w=0,6 м/с

К_А = 2000·0,03·37,7=2262грн/рік

К_Е=5,131·0,45·7400=17086 грн/рік

К_У=2262+17086=19348 грн/рік

при w=0,8 м/с

К_А = 2000·0,03·32=1920грн/рік

К_Е=3,8·0,45·7400=12654 грн/рік

К_У=1920+12654=14574грн/рік

при w=1,0 м/с

К_А = 2000·0,03·28,3=1698грн/рік

К_Е=3,9·0,45·7400=12987 грн/рік

К_У=1620+12987=14607грн/рік

4.12 Графік оптимізації

Згідно з розрахунками, для даного теплообмінника оптимальною швидкістю руху продукту є w=0,8 м/с. Значеня, що були визначені раніше, заокруглюють згідно до ГОСТ.

5. Умови безпечної експлуатації і питання екології

Створення здорових і безпечних умов праці починається з правильного вибору території для розміщення підприємства та раціонального розташування на цій території виробничих і допоміжних будівель і споруд.

Особливо важливо передбачити вимоги до чистоти повітря в місцях, що прилягають до харчових та переробних підприємств, які мають великі об'ємі газопилових викидів у повітря. На харчових та переробних підприємствах повітря робочої зони може забруднюватися шкідливими речовинами, які утворюються в результаті технологічного процесу або містяться в сировині, продуктах та напівпродуктах і відходах виробництва. Ці речовини порапляють в повітря у вигляді пилу, газів або пари і діють негативно на організм людини. В залежності від їх токсичності та концентрації в повітрі вони можуть бути причиною хронічних отруєнь або професійних захворювань.

Тому в залежності від ступеня токсичності, фізико-хімічних властивостей, шляхів проникнення в організм, санітарні норми встановлюють гранично допустимі Змн.

концентрації (ГДК) шкідливих речовин в повітрі робочої зони виробничих приміщень, перевищення яких не припустиме.

За ступенем дії на організм людини шкідливі речовини ділять на чотири класи небезпеки:

1 - надзвичайно небезпечні;

2 - високонебезпечні;

3 - помірно небезпечні;

4 - малонебезпечні.

Планування будівель і споруд на території підприємств, належна їх вогнестійкість, наявність достатньої кількості протипожежних ровів і перепон,

забезпечення безпечної евакуації людей, наявність інших допоміжних пристроїв рекомендуються відповідно до вимог санітарних норм СН245-71, СНиП2.01.02-85, СНиП2.10.05-85 і СНиП11-89-80. Територія підприємства повинна бути рівною, мати каналізацію, штучне освітлення, належне покриття транспортних шляхів і достатньо широкі проходи і проїзди.

Основні шляхи руху працівників, як правило, не перетинаються із залізничною колією або з іншим механізованим транспортом.

6. Опис технологічної схеми підключення апарату

Він розрахований на виробництво 30 т хліба на добу. Бродіння опари відбувається у стаціонарному бункері . Завантаження бункера опарою здійснюється через розподільний лоток, який періодично обертається і направляє замішану опару у відповідну секцію бункера. На цей лоток від тістомісильної машини опара подається лопатевим нагнітачем. Розвантаження секції з вибродженою опарою здійснюється через отвір у поворотному днищі бункера. Днище і розподільний лоток установлені на одному вертикальному валу і свіже замішана опара подається у розвантажену секцію.

Із бункера виброджена опара за допомогою дозатора по трубопроводу направляється у тістомісильну машину для замішування тіста. Замішане тісто із машини лопатевим нагнітачем по тісто проводу транспортується в корито для бродіння, де воно виброджує 30-40 хв, а звідти-у лійку тісто подільної машини.

При бродінні опари у бункерах внаслідок зменшення витрат тепла в навколишнє середовище швидше підвищується її температура, а також інтенсивніше зростає кислотність, ніж при бродінні у діжках. Наростання кислотності становить приблизно 0,35-0,45 град/год. Це сприяє покращанню набухання та пептизації білків, прискорює ферментативні процеси.

Знижена вологість опари полегшує її транспортування шнековими насосами або іншими транспортними пристроями. Об'єм опари за час бродіння порівняно з початковим збільшується у 2-2,5 рази. Об'ємна маса при цьому змінюється з 0,95 до 0,4 кг/дм^3..

Внаслідок інтенсивної механічної обробки тіста в результаті замішування і транспортування суттєво зменшується термін його бродіння і становить біля 30 хв.

При горизонтальній схемі розміщення агрегатів у процесі замішування і транспортування напівфабрикатів температура опари підвищується на 5-8^оС. Це викликає погіршення фізичних властивостей напівфабрикатів. Для запобігання надмірного підвищення температури опари і тіста воду та рідкі компоненти охолоджуються з тим, щоб початкова температура опари не перевищувала 23-27^оС.

Висновок

Залежно від температурних та інших умов ведення процесу плообмыну застосовують різноманітні методи нагрівання і охолодження. Для кожного процесу потрібно вибирати найраціональніший метод нагрівання і відповідні теплоносії.

У цьому курсовому проекті, виходячи із вихідних даних, були проведені такі розрахунки:

-Тепловий розрахунок, в якому розрахували площу теплообмінника при трьох швидкостях: F=68,3 м; F=62,7 м; F=69,3м

-Гідравлічний - розрахували потужність

N=57; N=62,5; N=65,6

-Конструктивний і механічний- розрахували кількість трубок, їх розміщення на трубній решітці, відстань між осями трубок, визначили кількість ходів, розрахували діаметри патрубків.

-Розрахунок теплової ізоляції - товщина ізоляції складає

-ТехнІко-економічний розрахунок, в якому було визначено оптимальну швидкість потоку продукту згідно з врахуванням капітальних затрат, амортизації обладнання і експлуатаційних витрат.

w = 0,6 м/с

К_А = 4098грн/рік

К_Е =189810 грн/рік

К_У = 193908 грн/рік

Список використаної літератури

1. Процеси і апарати харчових виробництв: Метод. вказівки до виконання контрольних робіт для студ. техн.. спец. заочної форми навч../Уклад.: І.Ф. Малежик, Л.В, Зоткіна, П.М. Немирович, О.В.Саввова - К.: НУХТ, 2002.-64 с.

2. Проектування процесів і апаратів харчових виробництв. Під ред.. В.Н. Стабнікова. - Київ, Вища школа. Головне вид-во, 1989. - 199с.

3. Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник. За ред.. проф.. І.В. Малежика. - К.: НУХТ, 2003. -400с. іл.

4. Никитин В.С., Бурашников Ю.М. Охрана труда на предприятиях пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат., 1991. - 350с.іл.

5. Методичні вказівки до виконання курсових проектів з дисципліни «Процеси і апарати харчових виробництв»/ Розділ «Теплообмінні апарати»/ для студентів усіх спец. ден. і заоч. форми навчання/ Укл. П.С. Циганков, О.П. Ніколаєв. - К.: НУХТ, 1995. - 24 с.

6. Процеси і апарати харчових виробництв: Метод. вказівки до виконання контрольних робіт для студ. техн.. спец. заочної форми навч../Уклад.: І.Ф. Малежик, Л.В, Зоткіна, П.М. Немирович, О.В.Саввова - К.: НУХТ, 2002.-64 с.

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

Размещено на Allbest.ru