Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители, диазатораторы, экономайзеры и др.).

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, с которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.



1. Аналитическая обзор

1.1 Теплообменники

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, и которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники - рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.[6]

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от видя рабочих сред различаются теплообменники;

а) жидкостно-жидкостные -- при теплообмене между двумя
жидкими средами;

б) парожидкостные -- при теплообмене между паром и жид-
костью (паровые подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные - при теплообмене между газом и жид
костью (холодильники для воздуха) и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта; вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени.

При непрерывном процессе, параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник,

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар, В смесительных аппаратах пар обычно бярботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости); при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппаратах пар конденсируется па поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной нар как теплоноситель обладает множеством преимуществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирования температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продукта вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели,

Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны, как и при паровом обогреве.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры, В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150--160^єС, что соответствует давлению (54ч7) 10⁵ Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200°С.

Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до В00- 1000"С) в печах, сушильных установках. Газовый обогрев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносители, малой интенсивностью теплообмена, загрязнением поверхности аппаратуры (при использовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он является единственно возможным (например, в воздушных сушилках).

В холодильной технике используется ряд хладагентов: воздух, вода, рассолы, аммиак, углекислота, фреон и др.

При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному -- технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций. Ниже рассматриваются некоторые конструкции теплообменных аппаратов, применяющиеся в пищевой промышленности.

1.2 Теплообменники с рубашками

Эти аппараты имеют цилиндрические, сферические, или плоские двойные стенки - водяные или паровые рубашки, через которые происходит теплообмен.

Рассматриваемые теплообменники характеризуются низкими коэффициентами теплопередачи, обусловленными малой скоростью движения жидкого теплоносителя в сечении водяной рубашки и малыми значениями коэффициентов теплоотдачи со стороны продукта. Более целесообразен паровой обогрев, при котором коэффициент теплоотдачи б₁ не зависит от скорости движения паря в сечении паровой рубашки и достигает нескольких тысяч Вт/(м² Ч К).

В рубашечных теплообменниках обычно устраивают мешалки для интенсификации теплообмена со стороны обрабатываемого продукта. Эти аппараты применяются r основном для периодического нагревания или охлаждения,

1.3 Кожухотрубные теплообменники

Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки ввальцованы в трубные решетки, ограничивающие камеру с обеих сторон (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. - Одноходовой кожухотрубный теплообменник.

К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости Ж₂ , протекающий трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела Ж₁. Патрубки показанные на эскизе сплошными линиям (Ж₁ ), применяются при теплообмене между жидкими средами при паровом обогреве используются патрубки (для пара П, конденсата К и конденсирующихся газов Г), показанные пунктиром

Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 _ММ и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большого коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра. При поступлении пара в камеру возможна вибрация и поломка топких трубок. Во избежание этого против парового патрубка устанавливают кольцо, защищающее трубки. Для прохода пара в нем делают отверстия.

Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклепаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой. Такой способ крепления обеспечивает свободное удлинение трубок при их нагревании и предохраняет от нарушения крепления трубок и решетках.

Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе, устраивают компенсатор.

Распределительные коробки имеют различную конструкцию. При Сварке теплообменник с несколькими ходами в трубной решетки с корпусом распределительная коробка выполняется в виде выпуклого днища с патрубком; днище соединяют с решеткой на болтах, Эта конструкция неудобна, так как при чистке, трубок надо демонтировать трубопровод, соединенный с крышкой (рисунок 1.1, а).

Лучше применять распределительные коробки со съемной крышкой. Для устройства таких коробок удлиняют кожух над трубной решеткой. В атом случае патрубки для подвода жидкости устраивают па корпусе теплообменника (рисунок 1.1, б).

Большим недостатком одноходовых теплообменников, предназначенных для нагревания или охлаждения жидкостей, является несоответствие между пропускной способностью пучка трубок и площадью поверхности теплообмена, Так, трубка диаметром 24 мм при скорости жидкости 1 м/с может пропустить около 1000 л/ч жидкости; площадь поверхности трубки при обычной длине 3,5 м -- всего около 0,2 м², что явно недостаточно для существенного подогрева такого большого количества жидкости.

Поэтому по трубкам приходится пропускать меньше жидкости, уменьшая скорость ее движения и коэффициент теплопередачи.

Улучшение трубчатых теплообменников достигается в первую очередь путем группировки труб в отдельные пучки (ходы); для этого в распределительных коробках устраивают перегородки (рисунок 1.2). Такой теплообменник называется многоходовым. Рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно через все пучки трубок. При атом скорость жидкости при данном рас ходе за счет уменьшения сечения проточной части возрастает и коэффициент теплопередачи увеличивается.

Рисунок 1.2.- Многоходовой кожухотрубнуй с несколькими входами трубной пространстве

При небольшом числе ходов (два-три) перегородки делают по хордам, при большем - радиально или концентрически. Конструктивно удобнее устраивать четное число ходов, но не более 16, Если в межтрубном пространстве должна перемещаться жидкость, то для увеличения ее скорости и этом пространстве также устраивают перегородки -- продольные или поперечные.

Продольные перегородки делят межтрубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное пространство (рис. XIII--3), и обеспечивают принцип противотока рабочих тел. Перегородки установлены параллельно трубкам и не достигают противоположной трубной решетки. Большое число перегородок не рекомендуется из-за трудности уплотнения стыков перегородки с, решетками.

Рисунок 1.3.- Многоходовой кожухотрубный теплообменник с несколькими ходами в трубном и (а) и межтрубном (б) пространства

Поперечные перегородки бывают перекрывающие и не перекрывающие. Перекрывающие перегородки пересекают все межтрубное пространство, оставляя вокруг каждой трубки кольцевую щель шириной около 2 мм. Расстояние между перегородками -- около 100 мм. Рабочее тело протекает мимо трубок с большей скоростью; в промежутках между перегородками образуются завихрения, что увеличивает коэффициент теплоотдачи. Такие перегородки неприменимы при засоряющихся жидкостях, так как узкие щели легко забиваются осадком.

Не перекрывающие поперечные перегородки выполняются в различных вариантах, например с проходом в виде сектора и в виде сегмента.

В первом случае жидкость движется между трубками по спирали, так как проходы сдвинуты один относительно другого и примыкают к продольной перегородке, установленной вдоль всего межтрубного пространства. При сегментных проходах жидкость омывает трубки зигзагообразно (см. рисунок 1.3.).

Двухходовой теплообменник часто выполняют с U-образными трубками, открытые концы которых ввальцованы в одну трубную решетку. Последняя вместе с трубками может быть вынута из корпуса (рисунок 1.4.).

Рисунок 1.4.- Теплообменники с U-образными трубками (а) и плавающей головкой (б)

Аналогичную конструкцию имеет теплообменник с двумя ходами (или четным числом ходов) с плавающей головкой последняя вынимается из кожуха теплообменника вместе с трубками. Этот теплообменник применим для засоряющих жидкостей и отличается свободой температурных деформаций трубок и корпуса, при которой не нарушается плотность соединений.

Все трубчатки выполняют двух типов -- вертикальные и горизонтальные, отличающиеся друг от друга незначительными деталями (расположением патрубков и опорных лап). Вертикальные трубчатки занимают меньшую площадь, и их удобнее устанавливать на балках перекрытия.

При установке теплообменников надо обращать внимание на направление движения рабочих тел. Горячая (охлаждаемая) жидкость должна опускаться (подача сверху), а холодная -- подниматься, тогда принудительное движение совпадает с естественным. Одноходовой теплообменник лучше ставить вертикально, многоходовой (с продольными ходами) - горизонтально, так как и некоторых ходах свободное движение не совпадает с вынужденным, что отражается на теплообмене в вертикальных теплообменниках. Горизонтальное расположение нескольких последовательно соединенных жидкостных теплообменников предпочтительнее, так как более удобно соединять их коммуникациями. В случае частой чистки трубок многоходовые теплообменники лучше ставить вертикально (парожидкостные подогреватели).

1.4 Элементные теплообменники

При небольших расходах рабочих жидкостей число трубок в ходу может быть уменьшено в пределе до одной. В этом случае каждый ход целесообразно выделить в самостоятельный элемент с одной или несколькими трубами. Однотрубные теплообменники составляются из отдельных элементов типа «труба в трубе». Каждый элемент состоит из двух труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно. При этом трубы соединяют с трубами и кольцевые пространства с кольцевыми пространствами. Скорость рабочих тел и коэффициент теплопередачи k зависят от диаметров внутренней и наружной труб; при выборе соответствующих диаметров можно обоим рабочим телам сообщить желательную скорость и достичь высоких значений. Достоинством таких теплообменников является соблюдение противотока, что обеспечивает наиболее полное использование теплоносителя.

Несмотря па громоздкость и большой расход металла, скоростные теплообменники находят широкое применение, особенно при больших давлениях и дорогом теплоносителе (например, в холодильной технике).

1.5 Погруженные трубчатые теплообменники

Погружной трубчатый теплообменник обычно имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью (рисунок 1.5, а). Горячее рабочее тело (жидкость) обычно подается в змеевик сверху и, охлаждаясь, опускается но виткам вниз.

Коэффициент теплопередачи в змеевиках невелик, так как жидкость снаружи змеевика движется с малой скоростью или новее не движется (при периодическом нагревании), Часто и внутри трубок скорость движения рабочего тела невелика.

Рисунок 1.5.- Погружной змеевиковый теплообменник

Для интенсификации процесса теплообмена применяют мешалки или змеевик помещают в кольцевое пространство между двумя сосудами (рисунок 1.5,б), в котором жидкость обтекает трубки с большей скоростью. При греющем паре жидкость выгоднее пропускать через змеевик, а пар снаружи. Тогда можно обеспечить большую скорость жидкости и более высокое значение к.

При конструировании змеевика предусматривают скрепление витков продольными планками во избежание прогиба и деформации витков; обычно применяют трубы с, диаметром не более 65 мм.

Погружные, теплообменники вытесняются другими, более совершенными типами аппаратов, однако они сохранились там, где не требуется большая поверхность нагрева, в качестве дополнительной поверхности нагрева (при другом способе обогрева) и при высоком давлении в трубках.



1.6 Оросительные теплообменники

Такой теплообменник представляет собой трубу с прямоугольными прямоугольными витками, расположенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рисунок 1.6.). Снаружи трубы омываются жидкостью, которая вытекает из регулируемой щели на верхний виток трубы и стекает на нижние витки, Жидкость, омывающая трубки, нагревается или охлаждается в зависимости от температуры среды, протекающей внутри. Если внутри трубок протекает конденсирующийся пар, для которого коэффициент теплоотдачи достаточно велик, и коэффициент теплопередачи зависит в основном от коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности, то более целесообразно параллельное включение витков теплообменника, что улучшает условия отвода конденсата.

Рисунок 1.6.- Оросительный теплообменник

Коэффициент теплоотдачи па наружной поверхности труб зависит от количества жидкости, подаваемой па верхний виток. Это количество регулируется в широких пределах; однако при малом количестве воды не вся поверхность труб орошается. При большом количестве стекающей воды часть ее сливается мимо трубок и не участвует 'в теплообмене.

Оросительные, теплообменники громоздки и поэтому, как правило, располагаются вне помещения. Они применяются в холодильной технике, в качестве конденсаторов, работающих при высоких давлениях хладагента; для охлаждения пива, молока и других жидкостей.

1.7 Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева

К этим теплообменникам относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.

Оребрение поверхности производится со стороны меньших коэффициентов теплоотдачи для создания большей поверхности контакта стенки с рабочей средой.

Ребристый теплообменник для нагревания или охлаждения газов, называемый калорифером (рисунок 1.7), представляет собой две коробки, плоскости которых соединены рядом трубок, имеющих наружную ребристую поверхность. Через входной патрубок А поступает вода или пар, которые заполняют коробки и трубки; через патрубок В выходит вода или конденсат; между ребрами трубок проходит воздух или газ, поток которого ограничен с боковых сторон калорифера плоскими листами С. Калориферы имеют плоскую форму и удобно соединены в батареи параллельно или последовательно. При параллельном соединении воздух разделяется на несколько потоков, что понижает гидравлическое сопротивление батареи, но уменьшает коэффициент теплопередачи вследствие, незначительной скорости воздуха. При последовательном соединении, наоборот, возрастает коэффициент теплопередачи, но увеличивается гидравлическое сопротивление. Таким образом, при параллельном соединении возрастает поверхность теплообмена, но уменьшается расход энергии на вентилятор, подающий воздух или газ в калорифер.

Рисунок 1.7.- Калорифер

Ребристые калориферы изготовляют различных размеров: они отличаются числом трубок, их длиной и размерами коробок.

Скорость воздуха определяют в зависимости от живого сечения межтрубного пространства (обычно около 40%) и расчетного расхода воздуха. Зная скорость воздуха и температуру теплоносителя, находят коэффициент теплопередачи по графикам и номограммам для каждого типа калорифера. Эти графики обычно приводятся в каталогах калориферов; там же указывается гидравлическое сопротивление, необходимое для расчета вентилятора.

Пластинчатые жидкостные и парожидкостные теплообменники (рисунок 1.8) собирают аналогично фильтр-прессу из пакетов стальных штампованных пластин, имеющих последовательно соединенные каналы,

Имеется много типов канальчатых пластин.

Рисунок 1.8. Элемент пластинчатого подогревателя а - общий; б -разрез группы пластин

Изображенная на рис. XIII- 9 пластина типа «Феникс» состоит из двух штампованных пластин, соединенных контактной сваркой так, что сварные швы проходят по всем каналам, Эти пластины сочетаются в пакете е плоскими пластинами, как показано в увеличенном масштабе на разрезе группы пластин. Зигзагообразный канал с одной стороны пластины соединяет два отверстия, расположенные в противоположных углах, а два других отверстия изолированы кольцевыми прокладками, по соединяются с подобным же каналом по другую сторону пластины. Такой теплообменник может иметь жидкостный или паровой обогрев (при горизонтальном направлении каналов). Он требует тщательного изготовления и сборки, иначе появляется неконтролируемое движение, части потока через не плотности и зазоры, отличается повышенным гидравлическим сопротивлением, в связи с перспективностью пластинчатых аппаратах (в основном вследствии большой экономии металла) ведутся интенсивные поиски их оптимальной конструкции.

1.9 Ламельные теплообменники

Ламельный теплообменник состоит из пакета сварных попарно пластин, образующих пучок плоских труб, вмонтированных в кожух. Пучок плоских труб заканчивается сварными трубными решетками. Прямоугольная в поперечном сечении форма трубного пучка применяется в аппаратах для небольших давлений. В этом случае конструкция теплообменника упрощена. Кожух имеет в сечении прямоугольную форму, соответствующую форме трубного пучка, причем плоские стенки кожуха приходится делать с ребрами жесткости. Цилиндрический кожух и соответствующая ему круглая в поперечном сечении форта трубного пучка способны лучше воспринимать нагрузки при более высоких давлениях. Для обеспечения полного заполнения круглого сечения цилиндрического кожуха ширина каждой плоской трубы должна соответствовать длине хорды, по которой устанавливается данная труба.[2]

Применяемые в промышленности ламельные теплообменники имеют диаметры кожухов от 100 до 1000 мм. Соответствующей ширины изготовляют и сварные плоские трубы. Зазор между стенками внутри труб, а также в межтрубном пространстве составляет от 2 до 12 мм. Длина плоских труб от 2 до 6 м.

На рисунке 1.9 показано устройство сварной трубной решетки и ее соединение с трубным пучком и камерой. Вторая трубная решетка аналогична по конструкции, соединена она с цилиндрическим патрубком, который через сальниковое устройство выходит из кожуха. На конец этого патрубка навинчен фланец. Сальниковое устройство между кожухом и пучком плоских труб компенсирует температурные удлинения трубного пучка в рабочем состоянии, а также позволяет вытаскивать трубный пучок из кожуха для очистки от загрязнений в межтрубном пространстве.

Рисунок 1.9.- Ламельные теплообменники: в корпусе прямоугольной (а) и цилиндрической (б) формы: 1 -- камера для ввода рабочей среды в канале: 2 --фланцевые разъемные соединительные ламельные пучки с корпусом; 3-- корпус аппарата; 4 -- пучок ламелей: (плоских труб); 5 - межтрубное пространство: 6 -- сальниковое устройство; 7 фланец съемный; 8-- ребра жесткости; 9, 10 -- щтуцеры для второй рабочей среды, подаваемой в межтрубное пространство трубное пространство

Рисунок 1.10.- Узел секции плоско трубного пучка с трубной решеткой и корпусом

Плоские трубы имеют некоторые термодинамические преимущества, а сравнении с круглыми. При равной площади поперечного сечения канала для рабочей среды поверхность теплообмена плоской трубы в несколько раз больше поверхности круглой трубы.

Большая поверхность теплообмена на единицу длины плоской трубы при малых эквивалентных диаметрах канала и сравнительно малых площадях поперечного сечения канала делает возможным применение коротких (одноходовых) компоновок аппаратов этого типа. При этом гидравлическое сопротивление таких аппаратов невелико, поскольку как в межтрубном, так и в трубном пространстве жидкость движется преимущественно без поворотов.

Малый эквивалентный диаметр плоских, труб (обычно 7... 14 мм) позволяет достигнуть более высоких коэффициентов теплопередачи. Здесь проявляется совместное действие таких факторов, как передача теплоты к тонкому слою жидкости и общее повышение скоростей потоков рабочей среды по каналам малых поперечных сечений.

На поверхности плоских каналов выштампованы продольные желобки и шаровые сегменты, которые в рабочем состоянии пакета служат опорами смежных пластин и несколько турбулизуют поток рабочей среды. Однако степень турбулизации потока в таких каналах значительно меньше, чем в каналах, из гофрированных пластин.

Для получения больших поверхностей теплообмена ламельные теплообменники можно компоновать в блоки. При этом соединение элементов может быть параллельное или последовательное в зависимости от желаемых скоростей потоков в трубном и межтрубном пространствах. Ламельные теплообменники можно устанавливать в вертикальном или горизонтальном положении. Смешения двух рабочих сред не наблюдается. Сальниковое уплотнение находится между рабочей средой межтрубного пространства и атмосферой. В качестве материала для изготовления плоских труб наиболее часто применяют нержавеющую' сталь в виде холоднокатаной ленты толщиной 1,5 и 2,0 мм.

Ламельные теплообменники предназначены для работы по схеме жидкость -- жидкость, газ -- газ и пар -- жидкость (конденсаторы и подогреватели).

Учитывая невозможность механической очистки внутритрубного пространства от отложений, ламельные теплообменники применяют в случаях, когда одна из рабочих сред не дает отложений внутри плоских труб. Вторая рабочая среда может давать отложения. Ее направляют в межтрубное пространство, которое можно механически очищать, если извлечь из кожуха трубный пучок.



2. Описание конструкции и принципа действия разрабатываемого оборудования

Рисунок 2.1 - Трехцилиндровый маслообразователь: 1 - кронштейн; 2 - кран выпускной; 3 - втулка направляющая; 4 - кран воздушный; 5 - крышка; 6 - кольцо уплотнительное; 7 - фланец цилиндра передний; 8 - Вытеснительный барабан; 9 - обшивка цилиндра; 10 - обечайка цилиндра наружная; 11 - спираль; 12 - обечайка цилиндра внутренняя; 13 - фланец цилиндра задний; 14 - кольцо уплотнительное; 15 - редуктор; 16, 17 - подшипники; 18, 19 - шестерни; 20 - электродвигатель; 21 - ножи; 22 - станина.

Наибольшее распространение получили маслообразователи цилиндрические (обычно трехцилиндровые) и пластинчатые. Применяются также вакуум-маслообразователи.

Трехцилиндровый маслообразователь состоит из унифицированных цилиндров одинаковой конструкции. Каждый из цилиндров включает обечайки, вытеснительный барабан, крышку, редуктор и рубашку для охлаждения продукта водой. В рубашке проложена и закреплена спираль 11. Задней стенкой цилиндра является торцевой диск редуктора 15, а передней -крышка 5.

Вытеснительный барабан 8 изготовлен из нержавеющей стали с ребрами жесткости. На нем размещены два ножа 21, оснащенных пластинками из пластмассы. Ножи свободно поворачиваются над плоскостями вытеснительного барабана. При вращении барабана ножи под действием центробежной силы отбрасываются и прижимаются лезвием к внутренней поверхности цилиндра.

Для удаления воздуха и контроля за наполнением цилиндра сливками в верхней части крышек расположены воздушные краны, которые открывают при пуске маслообразователя. В нижней части крышки верхнего цилиндра размещен кран 2 для выпуска продукта. На выходе продукта установлены выпускной кран 2 и термометр сопротивления для контроля за температурой выходящего масла.

От электродвигателя маслообразователь приводится в движение через редуктор 15. теплообменник калорифер маслообразователь

Высокожирные сливки температурой 80-90°С подаются в нижний барабан маслообразователя, а рассол и ледяная вода -- в охлаждающую рубашку. При работе слой сливок срезается ножами и перемешивается. Температура масла на выходе обычно не превышает 10-12^оС. Масло, перемещаясь в направлении к выпускному патрубку, выходит из него. Продолжительность нахождения продукта в маслообразователе 3-6 мин. В случае затвердевания масла (при перерыве в работе) для обогрева цилиндра в рубашку подаются пар или горячая вода.

В нижнем цилиндре высокожирные сливки, охлаждаясь до температуры кристаллизации глицеридов (22-23^оС), сохраняют свойства эмульсии. Температура рассола в нижнем цилиндре -1-3^оС, в среднем -3-5^оС. В среднем цилиндре начинается процесс структурообразования: жир из жидкого состоянии переходит в вязкопластичное и отвердевает в течение 5-20 с. Продукт в среднем цилиндре охлаждается до 11-13°С. В верхнем цилиндре вследствие механического воздействия в течение 150-250 с продукт приобретает мелкокристаллическую структуру и пластическую консистенцию. Температура продукта в верхнем цилиндре вследствие охлаждения водой при температуре 7-9°С даже повышается па 1-2°С. Выделение тепла при механическом воздействии превышает отвод через стенку цилиндра к охлаждающей воде.

Оптимальным углом установки ножей является угол 35°, а кольцевой зазор при производительности 450, 650 и 850 кг/ч соответственно 15, 22 и 29 мм.



3. Основные расчеты

3.1 Тепловой расчет

3.1.1 Расчет расхода и скорости движения рассола

Размеры поперечного сечения спирали для рассола принимаем в соответствии с рекомендациями (рекомендуется принимать размер поперечного сечения 30x6 мм).

Из уравнения теплового баланса [6, XIII-4] определяем расход теплоносителя. При этом температура рассола на выходе из маслообразователя определяется по формуле:

где t_H1 и t_k1 - температура рассола соответственно на входе и выходе из маслообразователя, °С;

t_H2 и t_k2 - температура соответственно сливок на входе и масла на выходе из маслообразователя, °С;

C₁ и C₂ - теплоемкость соответственно рассола и сливок, Дж/(кг*К);

n₁ - кратность подачи рассола, принимается равной 2-4.

Необходимые физические параметры продукта и теплоносителей определяем по справочным таблицам при средних температурах. Кратность подачи рассола примем равным 3.

t_к1=-2^оС+·(68-13)=8,34^оС

Определим расход теплоносителя М_хн :

где х - коэффициент, учитывающий тепловые потери;

М_сл - производительность аппарата по сливкам, кг/с.

=0,848 кг/с

Затем определяем тепловую нагрузку Q:

где Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт;

х - коэффициент, учитывающий тепловые потери;

М_ХН - производительность аппарата по рассолу, кг/с.

Q=1,02·0,848·3823·(8,34-(-2))=34191,71 Вт.

С учетом расхода рассола и принятых размеров спирали определяем скорость течения рассола.

Определим скорость хладоносителя :

где F - площадь поперечного сечения, м²;

V-объемный расход хладоносителя, м³/с.

Определим объемный расход хладоносителя :

где с - плотность хладоносителя, кг/м³, =1050 кг/м³ из справочных данных.

V==0,0008076 м³/с

где a - длина трубки, м;

b - ширина трубки, м.

Теперь согласно формулам определим скорость движения рассола:

= =4,487 м/с

3.1.2 Расчет температурных условий охлаждения продукта

Изображаем график температурного режима охлаждения продукта и находим движущую силу теплопереноса - среднюю разность температур по формуле.

Средняя разность температур :

t_ср=

где Дt - средняя разность температур, °С;

Дt_б - большая температура, °С;

Дt_м - меньшая температура, °С.

t_ср==32,35^оC

3.1.3 Определение гидродинамических условий движения рассола

Гидродинамические условия движения рассола в спирали аппарата определяем по числовому значению критерия Рейнольдса [7]:

где м - динамическая вязкость, Па*с.

d_экв- эквивалентный диаметр сечения, м.

Определим эквивалентный диаметр сечения , м:

где П - смоченный периметр, м.

Согласно полученным результатам расcчитаем эквивалентный диаметр сечения:

Re==18541

3.1.4 Определение коэффициента теплоотдачи рассола

Коэффициент теплоотдачи б₁ для рассола рассчитываем для рассола по уравнениям подобия [6]:

где - коэффициент температуропроводности, м²/с;

н - кинематическая вязкость, м²/с.

Составим график распределения температурного напора по участкам.

Рисунок 3.1 - Распределение температурного напора по участкам и фиктивным слоям

Pr==1,75·10^(-6-(-7))=17,5

Nu=0,021·Re^0,8·Pr^0,43

Nu=0,021·18541^0,8·17,5^0,43=186,74

б₁=

где л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*°С).

б₁==10420,092

3.1.5 Определение термического сопротивления стенки

Определим термическое сопротивление стенки . Принимаем толщину стенки корпуса, равную 3 мм и определяем термическое сопротивление[5]:

а) для стенки трубки

где у_ст - толщина стенки корпуса, мм;

лcт - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м*°С) по таблице XXYIII [7].

R_ст==0,0002857 м²·

б) от намерзания продукта на поверхности теплообмена

где у_прод - толщину намерзания продукта на поверхности теплообмена, мм;

л_прд - коэффициент теплопроводности намерзания продукта на поверхности теплообмена, Вт/(м*°С), л_прд =0,328 Вт/м*К.

R_прод==0,0018292 м²·К/Вт

Определим общее термическое сопротивление , как сумму двух сопротивлений:

R_общ=0,0002857+0,0018292=0,002115 м²·К/Вт

3.1.6 Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к продукту

Коэффициент теплоотдачи от стенки к продукту определяем по теоретической зависимости теплообмена для скребковых ножей [8, (6)]:

где n - частота вращения барабана, принимаем равной 160 об/мин. или 2,7 об/сек;

z - количество ножей.

б₂=1,13·=16331,11

3.1.7 Определение коэффициента теплопередачи и требуемой поверхности теплообмена аппарата

Коэффициент теплопередачи рассчитываем по формуле [6]:

К=,

Коэффициент теплопередачи равен:

К==440,102

Определим поверхность теплообмена аппарата из основного уравнения теплопередачи [6]:

Поверхность теплообмена равна:

F==2,3532 м²

3.2 Конструктивный расчет

3.2.1 Определение основных размеров аппарата

Исходя из требуемой поверхности теплообмена, ширины поперечного сечения спирали и внутреннего диаметра корпуса цилиндра, определяем необходимую общую длину спирали и общую длину цилиндров. Примем количество цилиндров, равное 3, находим длину одного цилиндра и длину спирали для одного цилиндра.

Определим длину спирали общую L_общ:

L_общ=,м²,

где k - ширина спирали, м.

L_общ==78,44 м

Определим длину спирали одного цилиндра :

L_од.ц==26,15 м

Определим длину барабана :

где D - внутренний диаметр корпуса, принимаем равным 0.3 м .

L_бар=·0,03=0,25 м

Наружный диаметр вытеснительного барабана, определим, исходя из условия, что зазор между внутренним диаметром корпуса и наружным диаметром барабана составляет 5 мм.

D_{барабана}=D-2·, м

D_{барабана}=0,3-2·0,005=0,29 м

3.2.2 Определение размеров штуцеров

Для определения размеров штуцеров, определим диаметры патрубков для сливок и рассола по следующей формуле:

D_n =1,13 , м.

где М - массовый расход жидкости, кг/с;

- плотность, кг/м³;

- скорость течения, м/с.

Для сливок D_п=1,13·=0,0195 м

Для рассола D_п=1,13·=0,015 м

3.2.3 Определение мощности привода установки

Мощность привода вытеснительных барабанов определяем как [10]:

где К - коэффициент (для сливок K = 1.15*10^-17);

n - частота вращения вытеснителя, с^-1 ;

D - внутренний диаметр барабана, м;

с - плотность продукта, кг/м³;

Re- критерий Рейнольдса;

Рr - критерий Прандтля;

з_a =1,2 - коэффициент запаса мощности привода;

з = 0,9 - к.п.д. привода;

Q - производительность, кг/с;

t - время обработки продукта, с.

где щ - осевая скорость, м/с;

н - кинематическая вязкость, м²/с.

Из уравнения расхода жидкости осевая скорость равна:

где Q_м - производительность, м³/с;

f₁ - площадь сечения потока продукта, м² .

Производительность определим по формуле:

Q_м==0,0003 м³/с

Площадь сечения определим по формуле:

Площадь сечения потока продукта равна:

= - =0,0046315 м²

Осевая скорость равна:

==0,065 м/с

Итак, рассчитаем критерий Рейнольдса по формуле (4.26):

Re==16,1

Далее рассчитаем критерий Прандтля по формуле:

где а - температуропроводность, м²/с.

Итак, критерий Прандтля равен:

Pr==493,66

После промежуточных расчетов мы можем определить мощность привода установки:

N===29,24 кВт

3.3 Гидравлический расчет

Общие потери напора рассола при прохождении через каналы теплообменника складываются из потерь давления на трение и потерь давления в местных сопротивлениях.

Потери давления на трение [9]:

где ш - поправочный коэффициент [9];

ДР_тр1 - потери напора при прохождении через сечение трубы, Па.

Поправочный коэффициент определим по формуле:

где D-диаметр витка змеевика (внутренний диаметр корпуса), м.

Поправочный коэффициент равен:

=1+3.54=1.118

Потери напора при прохождении через сечение трубы определим по формуле:

где л- коэффициент трения;

щ - скорость движения рассола, м/с;

с - плотность рассола (при средней температуре), кг/м³;

L - общая длина спирали теплообменника, м.

Коэффициент трения рассчитаем по формуле:

==0,027

Теперь рассчитаем потери напора при прохождении через сечение трубы:

P_тр1=0,027··=2238580,8 Па

И потери давления на трение:

P_тр=2238580,8·1,118=2502733,34 Па

Потери давления на трение в местных сопротивлениях определяем по
формуле:

где - =1,04 - коэффициент местного сопротивления.

Потери давления на трении в местных сопротивлений равны:

P_мс=1,04·=10992,7 Па

Мощность двигателя насоса для перекачивания рассола будем рассчитывать по формуле:

N=, кВт,

где V - объемный расход рассола, м³/с;

- общие потери напора рассола, Па;

з = 0,45- к.п.д. центробежного насоса.

Общие потери напора рассола рассчитываем по формуле:

=2502733.34+10992,7=2513726 Па

Мощность двигателя насоса для перекачивания рассола равна:

N==4.51 кВт

3.4 Технико-экономический расчет

Технико-экономический расчет проводится с целью оптимизации маслообразователя. Проводятся аналогичные расчеты поверхности теплообмена и мощности привода вытеснительных барабанов для различных частот вращения вытеснительного барабана. Определяются суммарные затраты на маслообразователь.

Стоимость электроэнергии определяется по формуле:

где =250 - количество смен в году;

=7 - количество рабочих часов в смену;

=2,3 руб/кВт ч - стоимость электроэнергии.

C_N=29,24·250·7·2.3=135844 руб/год

Стоимость поверхности теплообмена:

где a=0.15 - нормативный коэффициент;

S_F=10000 руб/м² - стоймость 1 м² поверхности теплообмена.

C_F=2,3532·0,15·10000=3529,8 руб/год

n	б2	K	F		N	CF	CN	C
120	14143.15	438	2.365	2526170	11.89	3546	66091	69637
140	15276.35	439	2.359	2519787	18.87	3539	94145	97684
160	16331.11	440	2.353	2513726	29.24	3530	135844	139374
180	17321.75	441	2.348	2508301	40.11	3522	179555	183077



Заключение

В процессе выполнения курсового проекта были изучены конструкции, и принципы действия различных теплообменных аппаратов, их технические характеристики.

Был разработан трехцилиндровый маслообразователь. Для этого были произведены расчеты: тепловой, конструктивный, гидравлический, технико-экономический. Описана конструкция и принцип действия разработанного аппарата.

Проведя аналогичные расчеты поверхности теплообмена и мощности привода вытеснительных барабанов для различных частот вращения вытеснительного барабана пришли к выводу, что с ростом частоты вращения барабана поверхность теплообмена незначительно уменьшается, мощность привода заметно возрастает. Стоимость поверхности теплообмена неощутимо снижается, практически не влияя на суммарную стоимость электроэнергии, которая зависит, в первую очередь, от затрат на привод установки и двигатель насоса.



Список литературы

Твердохлеб Г.В. Технология молока и молочных продуктов. - М.: Агропромиздат, 1991. - 463 с.

Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности./Сурков Д.В., Липатов Н.Н., Барановский Н.В. - 1970.

Крусь Г.Н„ Тиняков В.Г, Фофанов Ю.В. Технология молока и оборудование предприятий молочной промышленности. -М.: Агропромиздат. - 1986.

Томбаев Н.И. Справочник по оборудованию предприятий молочной промышленности. -- М. : Пищ. пром-ть. -- 1972.

Маслов А.М. Аппараты для термообработки высоковязких жидкостей. - Л: Машиностроение, 1980.

Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.:Агропромиздат, 1985.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химич. технологии. - Л.:Химия, 1981.

Коваленко В.М., Гудзей А.А. Исследование влияния конструктивных параметров и материала скребковых ножей на интенсивность теплообмена в пластинчатых маслообразователях. // Сборник трудов «Интенсификация процессов маслоделия». - Углич, 1992.

Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребеницкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. - М.: Машиностроение, 1973.

Митин В.В. Курсовое и дипломное проектирование оборудования предприятий мясной и молочной промышленности. - М.: Колос. - 1992.

Размещено на Allbest.ru