Пластинчасті теплообмінники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Призначення та область застосування апарату

У біотехнології багато процесів проходять з обміном теплотою. Отже слід зазначити, що вони супроводжуються великими витратами і виділенням тепла. Для цієї мети широко використовуються різні конструкції теплообмінних апаратів для охолодження або нагрівання рідких та газоподібних середовищ. Метод нагрівання або охолодження, а також конструкцію апарату вибирають у відповідності до процесу та технологічного режиму.

Класифікація теплообмінних апаратів

теплообмінник гідравлічний пластинчастий теплоносій

Теплообмінними апаратами називаються апарати для передачі тепла від більш нагрітого теплоносія до менш нагрітого, що часто використовується у промисловості. Теплообмін між теплоносіями є одним з найбільш важливих і частих процесів у технології. Теплообмінники, використовуються як самостійні апарати або частини технологічних ліній на біотехнологічних виробництвах бо багато процесів супроводжується поглинанням або виділенням тепла.

За способом передачі тепла розрізняють теплообмінні апарати поверхневі і змішувальні. У апаратах поверхневого типу передача тепла відбувається через тверді стінки, що розділяють, у змішувальних - безпосереднім контактом (змішуванням) нагрітих і холодних середовищ (рідин, газів, твердих речовин). Поверхневі апарати підрозділяються на рекуперативні і регенеративні. У рекуперативних апаратах тепло від гарячих теплоносіїв до холодних передається через розділяючу їх стінку, поверхня якої називається теплообмінною поверхнею, чи поверхнею теплообміну. У регенеративних апаратах обидва теплоносії почергово зіштовхуються з однією і тією ж стінкою, що нагрівається при проходженні гарячого потоку і охолоджується при наступному проходженні холодного потоку.

Регенератори є апаратами періодичної дії, а рекуператори можуть працювати як у періодичному, так і в безперервному режимах.

В залежності від призначення теплообмінних апаратів розрізняють:

підігрівачі,

реактори,

дефлегматори,

холодильники,

випарники,

конденсатори,

теплообмінники.

У теплообмінниках процеси нагрівання/охолодження є основними.

У залежності від агрегатного стану теплоносіїв розрізняють апарати для теплообміну: між двома газами (підігрівачі газів топковим газами, газові теплообмінники та ін.), між парою і газом (парові підігрівачі повітря, пароперегрівачі й ін.), між газом і рідиною (холодильники для газів ), між парою і рідиною (парові підігрівачі, конденсатори та ін.), між двома рідинами (рідинні холодильники, теплообмінники та ін.)

Рух теплоносіїв може бути прямоточним, протиточним, перехресним, змішаним.

Поверхневі теплообмінні апарати, які найчастіше використовуються в мікробіологічній промисловості (за типом конструкції) бувають: кожухотрубні, типу «труба в трубі», змієвикові, пластинчасті, спіральні.

При виборі теплообмінників в першу чергу звертають увагу на можливість підвищення коефіцієнта теплопередачі, який зростає із збільшенням швидкості теплоносіїв. При цьому слід мати на увазі, що збільшення швидкості одного з теплоносіїв помітно підвищує коефіцієнт теплопередачі тільки в тому випадку, якщо коефіцієнт теплопередачі з боку другого теплоносія досить високий, а тепловий опір стінки і утворюване забруднення малі. Крім того, при цьому зростає і гідравлічний опір. Коефіцієнт теплопередачі зменшується при забрудненні поверхонь теплообміну, тому поверхня повинна бути доступною для видалення забруднень, що утворюються.

Область застосування пластинчастих теплообмінників

Пластинчасті теплообмінники знайшли своє застосування в багатьох галузях промисловості. Вони використовуються в:

Опалюванні, вентиляції і кондиціонуванні:

центральне опалювання;

- нагрівання води;

- обігрів плавальних басейнів;

попередній нагрів води;

- геотермальні установки;

- сонячні батареї.

Холодильна техніка:

конденсація;

випаровування.

Клімат:

кондиціонування повітря в приміщеннях і будівлях.

Машинобудування:

охолоджування емульсій, гідравлічних масел, рідин для шліфування, води для обпалювальної печі;

охолоджування трансмісійного масла, води для автоклава.

Електростанції:

охолоджування циркуляційної води, промивальної рідини, трансмісійного масла.

Компресорні і турбінні установки:

охолоджування двигунів;

рекуперація тепла від дизельних силових установок, газових турбін, парових турбін, компресорів.

Цукрова промисловість:

нагрівання сирого соку, екстрагованої води, газованого соку, густого соку, сиропів концентрованих соків.

Хімічна промисловість:

охолоджування лужних розчинів, кислот, сірчаної кислоти, циркуляційної води.

Фармацевтична промисловість:

охолоджування емульсій, суспензій;

нагрівання плазми крові;

охолоджування рідин.

Обробка поверхонь:

охолоджування електроліту, фарби, гальванічної ванни;

нагрівання ванни для знежирення.

Металургія:

охолоджування мульд;

установки безперервного розливання чавуну;

охолоджування гідравлічного мастила, пічної води, води для коксової батареї, емульсій, сумішей, машинних охолоджувачів.

Автомобільна промисловість:

охолоджування гартівного мастила, фарби, розчинів.

Також даний апарат використовується і в мікробіологічній промисловості, де застосовуються процеси теплопередач та теплообміну, зокрема для безперервної стерилізації поживних середовищ.

Тип теплообмінного апарату - пластинчастий. Рух теплоносіїв - протитечія. Апарат призначений для охолодження компонентів поживного середовища. В якості холодного теплоносія є вже охолоджена меляса, а гарячим - меляса, яка поступає на охолодження.

Вибір даного теплообмінника зумовлений:

1) продуктивність теплообмінника можна змінювати в широких межах шляхом збільшення площі поверхні теплообміну; дозволяється здійснювати регенерацію теплоти, а також створювати замкнений контур для гарячого теплоносія; унаслідок високої турбулентності потоку рідини, утворюваною рифленням, а також якісної поліровки теплообмінних пластин, зводиться до мінімуму забруднення теплообмінних поверхонь;

2) займає невеликі виробничі площі при відносно великій поверхні теплообміну; конструкція апарату дозволяє здійснювати ефективну безрозбірну мийку, контролювати технологічний процес на всіх етапах, а також працювати в автоматичному режимі; малий об'єм рідини в пластинчастому теплообміннику є причиною низької ваги апарату - це дозволяє здійснити швидкий запуск і зупинку всієї установки в порівнянні із звичайними теплообмінниками, а також швидко здійснювати температурне регулювання; число пластин в корпусі можна збільшувати або зменшувати і змінювати траєкторії обтікання пластин (подовжуючи або укорочуючи), що дозволяє перенастроювати роботу теплообмінника при зміні технологічних умов.



Рис. 1 Технологічна схема отримання лізину з бурякової меляси:

1, 2 - змішувачі для приготування меляси та поживних солей, 3- нагрівальна колона, 4 - витримувач, 5 - охолоджуючий теплообмінник, 6 - ферментер, 7- стабілізатор середовища для посівних апаратів, 8, 9 - малий і великий інокулятори, 11- головний фільтр, 12 - індивідуальний фільтр для очистки повітря, 13 - повітряні фільтри для очистки відпрацьованого повітря, 14 - теплообмінник для попереднього підігріву культуральної рідини, 15 - двокорпусна випарна установка, 16 - збірник рідкого концентрату лізину, 17 - змішувач, 18 - розпилювальна сушарка, 19 - циклон-роздільник, 20 - скрубер, 21 - циклон-розвантажувач, 22 - центрифуга, 23 - збірник вологого осаду, 24 - барабанна сушарка, 25 - збірник фільтрату, 26 - цистерна для аміаку, 27 - ротаметри, 28 - іонообмінні колони для сорбції лізину на іолітах, 29 - змішувач очищеного фільтрату та аміаку, 30 - збірник відпрацьованого фільтрату, 31 - збірник елюату, 32 - випарний апарат, 33- балон стисненого азоту, 34 - збірник конденсату, 35 - нутч-фільтр, 36 - кристалізатор, 37 - збірник спирту перед регенерацією, 38 - циркуляційна сушарка, 39 - збірник аміаку, 40 - холодильник для охолодження парів аміаку, 41 - збірник соляної кислоти, 42 - колона для аміачних парів, 43 - збірник піногасника, 44- проміжний збірник піногасника, 45 - дозатор піногасника.

Тепловий розрахунок

1. Вихідні дані:

витрати поживного середовища: G₁=60 т/год;

початкова температура t₁ґ= 135°С;

кінцева температура t₁ґґ= 75°С;

холодний теплоносій - нестерильне поживне середовище, яке поступає на стерилізацію (G₁= G₂);

початкова температура t₁ґ= 18°С;

схема руху теплоносіїв - протитік.

2. Виходячи з рівняння теплового балансу, визначаємо кінцеву температуру холодного теплоносія:

(4.1.1)

(4.1.2)

Так як і , то



(4.1.3)

Для цього розраховую теплоємність меляси при :

?С, тоді

,

При t₂м:

,

°С.

Теплове навантаження з рівняння теплового балансу:

Вт.

4. Теплофізичні властивості меляси при (гарячий теплоносій):

густина:

,

в'язкість:

,



коефіцієнт теплопровідності:

.

Теплофізичні властивості меляси при (холодний теплоносій):

густина:

,

в'язкість:

,

коефіцієнт теплопровідності:

.

5. Корисна різниця температур напрямків потоків:

13570, 2418;

?С,

?С,

.

Середньоарифметична різниця температур:

?С.



Орієнтовна площа теплообміну:

(4.1.4)

К=200 Вт/(м²?К) - для передачі рідина-рідина (вуглеводи, масла) [12].

м².

Для розрахованої площі теплообміну обираю розбірний пластинчастий теплообмінник з такими параметрами ГОСТ 15518-83:

площа теплообміну F=31,5 мІ;

поверхня однієї пластини: f = 0,6 мІ;

кількість пластин: N = 56 шт.,

маса: M = 1220 кг;

компоновка пластин: ;

еквівалентний діаметр каналу: d_екв. = 0,0083 м;

площа перерізу каналу: f _к = 24,5 ·10^-4м;

приведена довжина каналу: L = 1,01 м.

Уточнений розрахунок

Для гарячого теплоносія.

Швидкість руху гарячої меляси:

,

де S = 0,00245 м²- площа поперечного перерізу каналу для f = 0,6;

n=84 - кількість каналів (найменша компоновка, по одному пакету (ходу) для обох потоків).

Критерій Рейнольдса:

Так як Re₁ > 50, то рух турбулентний [9].

Критерій Нуссельта:

(4.1.5)

Виходячи з режиму руху рідини (турбулентний) і типу пластин (0,6) коефіцієнти a, b, c відповідно дорівнюють: 0,135; 0,73; 0,33.

Критерій Прандтля:

.

Pr_ст при t_ст:

?С.

Теплофізичні властивості меляси при температурі стінки:

в'язкість:

,



теплоємність:

коефіцієнт теплопровідності:

;

;

Коефіцієнт тепловіддачі від гарячої меляси до стінки:

.

Для холодного теплоносія

Швидкість руху холодної меляси:

.

Критерій Рейнольдса:



Так як Re₂ > 50, то рух турбулентний [9].

Критерій Нуссельта:

(4.1.6)

Критерій Прандтля:

;

;

Коефіцієнт тепловіддачі:

.

Коефіцієнт теплопередачі:

(4.1.7)

- сума термічних опорів гофрованих пластин з нержавіючої сталі товщиною 0,8 мм і забруднень складають:



де 40 - теплопровідність нержавіючої сталі, а 5800 - теплова провідність забруднених стінок.

.

Розрахована площа поверхні:

F_розр < F_ор. Отже, розрахована площа теплообмінного апарату задовольняє дане виробництво.

Гідравлічний розрахунок

Гідравлічний опір пакетів пластин:

(4.2.1)

де х - кількість пакетів;

- коефіцієнт загального гідравлічного опору одиниці відносної довжини каналу;

L=1,01 - приведена довжина каналу,м;

d_екв=0,0083 - еквівалентний діаметр каналу, м;

с - густина теплоносія;

щ - швидкість руху теплоносія;

щ_ш - швидкість руху в теплоносіях (якщо щ_ш < 2,5 м/с, то доданком можна знехтувати).

(4.2.2)

де х₁=1, ;

.

(4.2.3)

де х₂=1,

,

[9].

Размещено на Allbest.ru