Міністерство освіти і науки Російської Федерації
Федеральне агентство з освіти
Тихоокеанський державний економічний університет
Кафедра харчової біотехнології
Курсовий проект з дисципліни
Процеси та апарати хімічної технології
Тема: "Розрахунок кожухотрубного теплообмінника для стерилізації молока»
Студентка Аржаева А. І.
Група 441 Пб
Керівник: доцент Фіщенко Є. С.
Владивосток 2007
Зміст
Введення
I. Теоретична частина. Теплообмінні процеси
II.Опісаніе технологічної операції
Завдання
1. Тепловий розрахунок
2. Гідравлічний розрахунок
3. Розрахунок теплової ізоляції
4. Механічний розрахунок
Список використаної літератури
Процеси в харчовій технології в більшості своїй складні і часто є поєднанням гідродинамічних, теплових, масообмінних, біохімічних і механічних процесів.
Технологічний процес в харчовій технології необхідно аналізувати, розрахувати його, визначити оптимальні параметри, розробити і розрахувати апаратуру для його проведення. У ньому вивчаються закономірності масштабного переходу від лабораторних процесів і апаратів до промислових. Знання цих закономірностей необхідно для проектування і створення сучасних багатоповерхових промислових процесів харчової технології.
Тепловикористовуючі апарати, застосовувані в харчових виробництвах для проведення теплоообменних процесів, називаються теплообмінниками. Теплообмінники характеризуються різноманітністю конструкцій, що пояснюється різним призначенням апаратів та умовами проведення процесів.
За принципом дії теплообмінники діляться на рекуперативні, регенеративні і змішувальні (градирні, скрубери, конденсатори змішування і т. д.).
У рекуперативних теплообмінниках теплоносії розділені стінкою і теплота передається від одного теплоносія до іншого через розділяє їх стінку.
В регенеративних теплообмінниках одна і та ж теплообмінна поверхню омивається поперемінно гарячим і холодним теплоносіями.
У змішувальних апаратах передача теплоти відбувається за безпосередньої взаємодії теплоносіїв.
І. Теоретична частина. Теплообмінні процеси
Теплообмін - мимовільний, необоротний процес перенесення теплоти від більш нагрітих тіл (або ділянок тіл) до менш нагрітих.
Теплота (кількість теплоти) - енергетична характеристика процесу теплообміну, яка визначається кількістю енергії, що віддається або надається у процесі теплообміну.
Теплообмінні процеси - це процеси, пов'язані з перенесенням теплоти від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. До них відносяться процеси нагрівання, пастеризації, стерилізації, охолодження, конденсації, випаровування і т. п. Швидкість теплових процесів визначається законами теплопередачі.
У процесах теплопередачі бере участь не менше двох середовищ (речовин) з різними температурами. Середа з вищою температурою, що віддає при теплообміні теплоту, називається гарячих теплоносієм, середа з більш низькою температурою, що сприймає теплоту, називається холодним теплоносієм (хладагентом). Теплоносії та холодоагенти повинні бути хімічно стійкими, не викликати корозії апаратури, не утворювати відкладень на стінках апаратів. В якості теплоносіїв у харчовій промисловості найбільшого поширення набули насичений водяний пар, вода, димові гази, а в якості холодоагентів - аміак, фреони, розсіл хлориду кальцію, повітря, азот. Вибір теплоносія або холодоагента визначається їх призначенням, температурами процесу, вартістю.
До теплообмінним відносять такі технологічні процеси, швидкість яких визначаться швидкістю підведення або відведення теплоти: нагрівання, випаровування (в тому числі випарювання), охолодження, конденсація.
ІІ. Опис технологічної операції
Молоко, з якого виробляють молочні продукти, повинно бути пастеризоване для знищення в молоці патогенних бактерій і небажаних вегетативних форм шкідливих для цих продуктів, а в деяких випадках і стерилізовано. Ефективність стерилізації залежить від температури і часу впливу на молоко.
Температурна обробка молока встановлена стандартами і переслідує дві мети: дотримання гігієнічних вимог для охорони здоров'я, підвищення стійкості молока при зберіганні.
Стерилізація молока - спосіб термічної обробки молока при температурі вище 100 0 С з метою знищення вегетативних клітин і більшості спор бактерій. Стерилізоване молоко має відповідати вимогам промислової стерильності, тобто у ньому не повинно міститися патогенних і токсигенних мікроорганізмів, а також мікроорганізмів - збудників псування. Тому готують стерилізоване молоко з сировини високої якості, в якому вміст спор бактерій не повинно перевищувати 100 КУО в 1 см 3 сирого молока. У стерилізованому молоці допускається наявність невеликої кількості спор бактерій, які не розмножуються і не викликають змін в продукті протягом усього терміну зберігання.
Існує 3 способи стерилізації молока:
- Пастеризація при 75 0 С ® стерилізація при 135-140 0 С в потоці ® охолодження до 70 0 С ® розлив у стерильні пляшки ® стерилізація при 116-120 0 С;
- Стерилізація в потоці при 140 0 С ® охолодження ® асептичний розлив у стерильні пакети;
- Пастеризація при 800С ® стерилізація в потоці при 1400С ® асептичний розлив у стерильні пакети.
Найбільш сучасним і поширеним способом виробництва стерилізованого молока є спосіб одноразової стерилізації молока в потоці з наступним розливом.
Мікробіологічний контроль стерилізованого молока здійснюється не рідше 2-3 разів на тиждень. Відібрані зразки повинні відповідати вимогам промислової стерильності. Для визначення промислової стерильності зразки зі стерилізованим молоком термостатують при 37 0 С протягом 3 діб. Після термостатно витримки проводять огляд зразків продукту.
При наявності здуття упаковки або зміни зовнішнього вигляду молока в пляшках (наявності згустку, пластівців, відстою сироватки та ін) упаковки вважають невідповідними вимогам промислової стерильності. Упаковки без зовнішніх дефектів розкривають, а продукт аналізують органолептично. Продукт відповідає вимогам промислової стерильності якщо не встановлено змін смаку і консистенції.
Для обробки молока в закритому потоці при високих швидкостях його руху служать трубчасті стерилізаційні установки.
Недоліки трубчастих стерилізаційних установок - висока металоємність і великі габаритні розміри в порівнянні з пластинчастими при рівній продуктивності; необхідність значного вільного простору з боку торців циліндричних теплообмінних секцій для роботи довгими йоржами при чищенні та миття апарату, відсутність секцій для рекунераціі теплоти, що знижує економічність роботи і звужує сферу застосування цих теплообмінників.
Внаслідок малої швидкості руху теплоносіїв одноходові теплообмінники працюють з порівняно невисоким коефіцієнтом теплопередачі. Підвищення цього коефіцієнта може бути досягнуто шляхом застосування трубок невеликого діаметра, у яких продукт буде рухатися з більшою швидкістю. Проте це часто призводить до необхідності створювати багатокорпусні або багатоходові апарати. (Лунін)
Багатоходові кожухотрубчасті теплообмінники найчастіше використовують як парорідинних підігрівачів, в яких рідина пропускають по трубках, що мають кілька ходів. Як правило, вони можуть мати жескую конструкцію.
Завдання
Спроектувати кожухотрубний теплообмінник для нагрівання G, кг / с, продукту від початкової температури t н 2 до кінцевої t до 2 теплоносієм з початковою температурою t н 1 і кінцевої температурою t до 1.
Вихідні дані для розрахунку:
Продуктивність G 1 = 3,36 кг / с
Початкова температура молока t н 2 = 8 º C
Температура пастеризації t 3 = 100,2 º C
Кінцева температура молока t до 2 = º C
Коефіцієнт рекуперації тепла ε = 0,8.
Початкова температура водяної пари t н 1 = 130 º C
Кінцева температура водяної пари t до 1 = 100 º C
Ступінь сухості водяної пари x = 0,9
Загальна допустима гідравлічний опір Р = 0,22 МПа
Середня питома теплоємність молока з м = 3890,9 Дж / (кг ∙ º С)
Щільність молока ρ м = 1032,5 кг / м 3
t м = 0,5 (t Н1 + t н2)
t м = (100,2 +8) / 2 = 54,1 ° С.
2. З таблиці 11 [1] визначаються фізичні властивості молока при tм:
з р = 3,875 кДж / (кг * К),
ρ = 1014 кг / м 3,
λ = 0,593 Вт / (м * К),
ν = 0,76 * 10 -6 м 2 / с,
Ρr = 5.
3. По таблиці 11.2 [6] по тиску водяної пари Р визначаємо характеристики насиченої пари:
ентальпія пара ί "= 2707 кДж / кг,
ентальпія конденсату ί '= 504,8 кДж / кг.
4. Кількість тепла, необхідне для підігріву продукту (молока) до заданої температури, тобто до 100,2 ° С:
Q = G * c р * (t к2 - t н2) φ n, кВт,
Q = 3,36 * 3,875 * (100,2-8) * 1,04 = 1248,5 кВт,
де φ n - поправочний коефіцієнт, φ n = 1,03-1,05.
5. Середній логарифмічний напір, створюваний у теплообміннику між гарячим і холодним теплоносіями розраховується:
Δt сер = (Δt б - Δt м) / 2,3 lg (Δt б / Δt м),
десь Δt б = t 1н - t 2н = 130-8 = 122 ° С, Δt м = t 2к - t 1н = 100,2 - 100 = 0,2 ° С.
Δt сер = (122 - 0,2) / (2,3 lg122 / 0,2) = 18,98 ≈ 20 ° С.
6. Задаємо швидкості руху продукту в трубах за умови, що швидкість руху в трубах лежить в межах ω = (0,6-1,5), м / с: ω '= 1м / с.
7. Задаємо зовнішній та внутрішній діаметри трубок, враховуючи, що всередині трубок протікає продукт, а зовні трубки омиваються пором:
d н = 35 мм, d вн = 25 мм.
8. Визначаємо необхідну кількість трубок для забезпечення даної швидкості продукту в одному ходу:
n '= 1,27 * G / d вн 2 * ω' * ρ
n '= 1,27 * 3,36 / (0,025) 2 * 1 * 1014 = 4,2672 / 0,634 = 6,73.
Значення n 'округляємо до цілого десятка n = 10 трубок.
9. Уточнюємо швидкість руху продукту по трубах за округленому числа n:
ω = 3600 G/2825 * * d вн 2 * ρ, м / с,
ω = 3600 * 3,36 / 2825 * (0,025) 2 * 1014 * 10 = 12096/17903, 4 = 0,68 м / с.
10. Визначаємо значення коефіцієнта тепловіддачі молока α2:
α 2 = Νu * λ / d вн,
Νu = 0,0225 * Re 0,8 * Pr 0,4,
Re = ωd вн / ν,
Re = 0,68 * 0,025 / 0,76 * 10 -6 = 22368> 10000, отже, має місце турбулентний режим.
Νu = 0,0225 * (22368) 0,8 * 5 0,4 = 129,014,
α 2 = 129,014 * 0,593 / 0,025 = 3060,2 Вт / (м 2 * К) = 3,06 кВт / (м 2 * К).
11.Необходімая поверхню для нагрівання продукту з урахуванням можливості забруднень:
F = Q / α 2 * Δt ср * ή з,
де ή з - коефіцієнт забруднень (ή з = 0,7-0,9),
F = 1248,5 / 3,06 * 20 * 0,8 = 1248,5 / 48,96 = 25,5 м 2.
Вибираємо тип теплообмінника ТК ГОСТ 15118-79 для нагрівання - охолодження.
12.Ісходя з того, що довжина теплообмінника лежить в межах 1,5-4 м, для компонування трубного пучка приймається число ходів продукту по трубах підігрівача, число ходів може бути 2, 4, 6 (у першому наближенні приймається довільно). Нехай Zм = 6.
13.Средняя довжина трубки одного ходу:
l '= F / π * d н * Z м, м,
l '= 25,5 / 3,14 * 0,035 * 10 * 6 = 25,5 / 6,594 = 3,9 м.
14.Расход пари на підігрів продукту становить:
G п = Q / (ι "- ι ') * x, кг / год,
де x - сухість водяної пари.
G п = 1248,5 / (2707-504,8) * 0,9 = 0,63 кг / с.
15.Чісло отворів під трубки в трубній дошці:
N 0 = Z м * n,
N 0 = 10 * 6 = 60 отворів.
16.Чісло труб, розміщених на діаметрі трубної решітки (найбільшою діагоналі шестикутника):
n d = 3 √ (4F р / 3t * f * β),
де β - відношення висоти або довжини теплообмінника до його діаметра:
β = Н / D = L / D, β = 3-5, приймемо β = 3;
t-крок розміщення трубок, м.
n d = 3 √ 4 * 25,5 / 3 * 0,044 * 0,144 = 3 √ 5368 = 17,51 ≈ 18.
17.Внутренній діаметр корпусу:
D в = N 0 * d н,
D в = 60 * 0,035 = 2,1 м.
Нехай трубки на трубної решітки закріплені зварюванням, тоді t = 1,25 d н,
t = 1,25 * 0,035 = 0,044 м.
f - поверхня одного метра труби прийнятого діаметра, м 2:
f = 2πr (r + h) / 3 = 2 * 3,14 * 0,0175 * (0,0175 +3,9) / 3 = 0,144.
18.Внутренніе діаметри кожухів, виготовлених зварюванням, рекомендується приймати від 400 до 3000 мм через кожні 200 мм. Якщо корпус виконується з труб, то зовнішній діаметр вибирають рівним 159, 273 або 325 мм. Нехай внутрішній діаметр кожуха дорівнює 3000 мм = 3 м, а зовнішній корпусу - 325 мм = 3,25 м.
19.Общее кількість труб, що розміщуються в межах правильного шестикутника,
n = 0,75 (n d 2 - 1) + 1,
n = 0,75 * (18 2 - 1) + 1 = 243,25 ≈ 244.
20.Діаметр трубної решітки або внутрішній діаметр кожуха теплообмінника для багатоходового теплообмінника:
D вн = 1,1 t √ n / η, де η = від 0,6 до 0,7.
D вн = 1,1 * 0,044 * √ 244 / 0,6 = 0,05 * 20,14 = 1,007 м
21.Полная висота теплообмінника, м:
Н = l + 2δ +2 h,
де δ - товщина трубної решітки, м; h - висота предтрубной камери, м; конструктивно приймають від 200 до 400 мм, приймемо h = 300 мм = 0,3 м.
Н = 3,9 + 2 * 1,26 * 10 -3 + 2 * 0,3 = 3,9 + 2,52 * 10 -3 + 0,6 = 4,5 м.
22.Чісло ходів у міжтрубному просторі:
Ζ МТР = 0,785 [(D вн - nd н 2) ρω МТР] / G МТР,
де S МТР - прохідний перетин міжтрубного простору кожухотрубного апарату (без перегородок), м 2:
S МТР = 0,785 (D вн 2 - nd н 2),
S МТР = 0,785 (1,007 2 - 244 * 0,035 2) = 0,56 м 2,
S - живий перетин проходу теплоносія, м 2:
S = G / ωρ,
S = 3,36 / 0,68 * 1014 = 0,005 м 2.
h = 0,56 / 1,007 * (1 - 0,035 / 0,005) = 0,093 м = 93 мм.
Ζмтр = 0,785 [(2,12 - 244 * 0,0352) 1014 * 0,68] / 3,36 = 0,785 * 2834,62 / 3,36 = 662.
23. Відстань між сегментними перегородками міжтрубного простору:
h = Sмтр / [D (1 - dн / S)],
1. Загальні втрати тиску визначаються:
ΔΡ = ΔΡ тр + ΔΡ мс
або напору
h п = h тр + h мс, де
ΔΡ тр (h тр) - втрати тиску (напору) на подолання опорів тертя при русі теплоносіїв через канали установки,
ΔΡ мс (h мс) - втрати тиску (напору) на подолання місцевих сопротівлеій.
2. Кінцеве рівняння для розрахунку втрат тиску (напору) має вигляд:
ΔΡ заг = ΔΡ тр + ΔΡ + ΔΡ р,
Н заг = h тр + h а + h г,
де
ΔΡ тр (h тр) - втрати тиску (напору) а провідних і відвідних трубопроводах, Па, мм вод. Ст.;
ΔΡ (h а) - втрати тиску (напору) в теплообміннику, Па, мм вод. ст.;
ΔΡ г - втрати тиску при підйомі рідини на висоту h р, Па.
ΔΡ тр = λ * l / d е. * ρω 2 / 2,
ΔΡ тр = 0,295 * (3,9 / 3,9) * (1014 * 0,68 2) / 2 = 69,160 Па = 0,069 кПа, де
λ - коефіцієнт тертя, значення якого залежить від режиму течії середовища і від відносної шорсткості каналу, при турбулентному режимі (Re = 22368) визначають зону тертя:
e = Δ / d е = 0,02 * 10 -3 / 3,9 = 0,005 * 10 -3 - відносна шорсткість стінок труби (каналу),
Δ - абсолютна шорсткість, м, для нових чистих сталевих безшовних труб Δ = 0,01-0,02 мм = 0,02 * 10 -3 м, приймемо Δ = 0,02 * 10 -3 м.
e = 0,02 * 10 -3 / 3,9 = 0,05 * 10 -3,
560 / e = 560 / 0,05 * 10 -3 = 11200 <Re => автомодельний зона тертя =>
λ = 1,1 * (0,005 * 10 -3) 0,25 = 1,1 * 0,268 * 10 0,75 = 0,295
ΔΡ = (λ * l / d е. + Σξ) * ρω 2 / 2, де
Σξ - сумарний коефіцієнт місцевих опорів,
Σξ = 0,2 +1,0 +1,0 +1,0 +1,5 = 4,7.
ΔΡ = (0,295 * 3,9 / 3,9 + 4,7) * 1014 * 0,68 2 / 2 = 1171,03 Па = 1,17 кПа,
ΔΡ г = ρgh р,
ΔΡ г = 1014 * 9,81 * 3,9 = 38794,63 Па = 38,794 кПа.
ΔΡ заг = 0,069 + 1,17 + 38,794 = 40,033 кПа = 40033 Па.
3. Потужність, що витрачається на переміщення продукту, або потужність на валу насоса:
N н = G * ΔΡ заг / ρη, де
η - ККД насоса, приймемо η = 0,6.
N н = 3,36 * 40033/1014 * 0,6 = 221,09 Вт = 0,22 кВт.
4. Потужність електродвигуна, кВт:
N дв = N н * 10 -3 * η дв * η п, де
η дв - ККД двигуна,
η п - ККД передачі від двигуна до насоса, нехай η п = 0,8.
N дв = 221,09 * 10 -3 / 0,8 * 0,6 = 0,46 кВт.
На основі проведених розрахунків підбираємо консольний насос марки ХМ2/25 n = 2900 об / хв і електродвигун для нього тип 4А71В2 потужністю 1,1 кВт.
Температура на поверхні ізоляції з умов безпеки роботи t з = 45 ° С.
Температура навколишнього середовища:
t 0 = 20 ° С.
Товщина теплової ізоляції:
δ з = λ з * (t СТ1 - t з) / α 0 * (t з - t 0), де
t СТ1 = 130 ° С,
δ з = 0,082 * (130-45) / 11,49 * (45-20) = 6,97 / 287,25 = 0,024 м = 24 мм.
Приймемо як теплоізоляційний матеріал піноскло (гранична температура використання 300 ° С): λ з = 0,082 Вт / (м 2 * К).
Так як термічне опір тепловіддачі від гарячого теплоносія ізольованої поверхні, а також термічний опір цієї поверхні дуже малі в порівнянні з термічним опором ізоляції, то питома тепловий потік можна розрахувати:
q = α 0 * (t з - t 0),
де
α 0 - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні апарату до повітря, Вт / (м 2 * К),
α 0 = 9,74 + 0,07 * (t з - t 0) = 9,74 + 0,07 * (45-20) = 11,49 Вт / (м 2 * К),
q = 11,49 * (45-20) = 287,25 Вт / м 2.
Розрахунок товщини стінок на внутрішньо тиск:
Товщина стінки при розрахунку на внутрішній тиск перевіряється за формулою:
δ = (Р * D / 2 [σ] доп * φ) + С, де
δ - товщина стінки корпусу, м;
Р - внутрішнє надлишковий тиск у корпусі, МПа;
D - внутрішній діаметр корпусу, м;
[Σ] доп - допустима напруга, МПа, [σ] доп = [σ] * η = 139 * 0,9 = 125,1 МПа,
η - коефіцієнт, що враховує конструкцію та умови роботи апарату, η = 0,9 для судин, що обігріваються топковим газами [4];
φ - коефіцієнт міцності зварного шва для односторонньої зварювання
φ = 0,65;
С - поправка на корозію, овальність і т. д., З = 0,003 м. [4]
δ = 0,22 * 2,1 / 2 * 125,1 * 0,65 + 0,001 = 0,462 / 162,63 + 0,003 = 0,0058 м = 5,8 мм.
Розрахунок товщини стінок на зовнішній тиск:
Товщина стінок на зовнішній тиск при розрідженні в апараті:
δ = (Р н * D н / 2 * [σ] з * φ) + С,
де Р н - зовнішнє надлишковий тиск, МПа;
D н - зовнішній діаметр циліндра, м;
[Σ] с - напруга, що допускається на стиск,
МПа, [σ] з = [σ] доп = 125,1 МПа;
С - конструктивна прибавка, З = 0,003 м. [4].
δ = 0,1 * 0,325 / 2 * 125,1 * 0,65 + 0,001 = 0,0325 / 162,63 + 0,003 = 0,0032 м =
= 3,2 мм.
Розрахунок товщини трубних решіток:
Товщина трубних решіток вибирається залежно від діаметра розміщених у ній труб. Крок між сусідніми трубами повинен бути не менше t = 4,8 d н = 4,8 * 0,035 = 0,168, тоді товщина трубної решітки при заданому кроці:
Δ р = 4,8 * t / (t - d н),
Δ р = 0,168 / (0,168 - 0,035) = 0,168 / 0,133 = 1,26 мм.
Розрахунок товщини кришок:
Форма кришок та днищ в теплообмінних апаратах буває різною (сферичної, еліптичної, конічної або плоскою).
Номінальна товщина стінки еліптичного днища:
δ = Р * D н * К * / 2 [σ] доп φ + С, де
К - фактор форми днища, К = 1,10; [4], табл. 5,8 с.124
δ = 0,22 * 0,325 * 1,1 / 2 * 125,1 * 0,65 + 0,003 = 0,0787 / 162,63 + 0,003 = 0,0035 м = 3,5 мм.
2. Гінзбург А.С., Громов М.А, Красовська Г.І. Теплофізичні характеристики харчових продуктів: Довідник. - М.: харч. пром-сть, 1980. - 286с.
3. Кавецький Г.Д., Васильєв Б.В. Процеси і апарати харчових технологій. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Колос, 1999. - 551 с.
4. Лунін О. Г., Вельтищев В. Н. Теплообмінні апарати харчових виробництв. - М.: Агропромиздат, 1987. - 239с.
5. Соколов В. І. Основи розрахунку і конструювання машин та апаратів харчових виробництв. - М.: Машинобудування, 1983. - 484с.
6. Угрюмова С. Д. Теплотехніка: Підручник. Владивосток: Видавництво ДВГАЕУ, 1999. - 296с.
Федеральне агентство з освіти
Тихоокеанський державний економічний університет
Кафедра харчової біотехнології
Курсовий проект з дисципліни
Процеси та апарати хімічної технології
Тема: "Розрахунок кожухотрубного теплообмінника для стерилізації молока»
Студентка Аржаева А. І.
Група 441 Пб
Керівник: доцент Фіщенко Є. С.
Владивосток 2007
Зміст
Введення
I. Теоретична частина. Теплообмінні процеси
II.Опісаніе технологічної операції
Завдання
1. Тепловий розрахунок
2. Гідравлічний розрахунок
3. Розрахунок теплової ізоляції
4. Механічний розрахунок
Список використаної літератури
Введення
Будь-який технологічний процес, незважаючи на відмінність методів, являє собою ряд взаємозалежних типових технологічних стадій, що протікають в апаратурі певного класу. Однак високі вимоги до якості продукції, ефективності виробництва, зниження його енерго-та матеріалоємності, охорони навколишнього середовища визначали специфіку, що відрізняє ці технологічні стадії отримання харчових продуктів та апаратурно-технологічне оформлення від подібних процесів в інших галузях народного господарства.Процеси в харчовій технології в більшості своїй складні і часто є поєднанням гідродинамічних, теплових, масообмінних, біохімічних і механічних процесів.
Технологічний процес в харчовій технології необхідно аналізувати, розрахувати його, визначити оптимальні параметри, розробити і розрахувати апаратуру для його проведення. У ньому вивчаються закономірності масштабного переходу від лабораторних процесів і апаратів до промислових. Знання цих закономірностей необхідно для проектування і створення сучасних багатоповерхових промислових процесів харчової технології.
Тепловикористовуючі апарати, застосовувані в харчових виробництвах для проведення теплоообменних процесів, називаються теплообмінниками. Теплообмінники характеризуються різноманітністю конструкцій, що пояснюється різним призначенням апаратів та умовами проведення процесів.
За принципом дії теплообмінники діляться на рекуперативні, регенеративні і змішувальні (градирні, скрубери, конденсатори змішування і т. д.).
У рекуперативних теплообмінниках теплоносії розділені стінкою і теплота передається від одного теплоносія до іншого через розділяє їх стінку.
В регенеративних теплообмінниках одна і та ж теплообмінна поверхню омивається поперемінно гарячим і холодним теплоносіями.
У змішувальних апаратах передача теплоти відбувається за безпосередньої взаємодії теплоносіїв.
І. Теоретична частина. Теплообмінні процеси
Теплообмін - мимовільний, необоротний процес перенесення теплоти від більш нагрітих тіл (або ділянок тіл) до менш нагрітих.
Теплота (кількість теплоти) - енергетична характеристика процесу теплообміну, яка визначається кількістю енергії, що віддається або надається у процесі теплообміну.
Теплообмінні процеси - це процеси, пов'язані з перенесенням теплоти від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. До них відносяться процеси нагрівання, пастеризації, стерилізації, охолодження, конденсації, випаровування і т. п. Швидкість теплових процесів визначається законами теплопередачі.
У процесах теплопередачі бере участь не менше двох середовищ (речовин) з різними температурами. Середа з вищою температурою, що віддає при теплообміні теплоту, називається гарячих теплоносієм, середа з більш низькою температурою, що сприймає теплоту, називається холодним теплоносієм (хладагентом). Теплоносії та холодоагенти повинні бути хімічно стійкими, не викликати корозії апаратури, не утворювати відкладень на стінках апаратів. В якості теплоносіїв у харчовій промисловості найбільшого поширення набули насичений водяний пар, вода, димові гази, а в якості холодоагентів - аміак, фреони, розсіл хлориду кальцію, повітря, азот. Вибір теплоносія або холодоагента визначається їх призначенням, температурами процесу, вартістю.
До теплообмінним відносять такі технологічні процеси, швидкість яких визначаться швидкістю підведення або відведення теплоти: нагрівання, випаровування (в тому числі випарювання), охолодження, конденсація.
ІІ. Опис технологічної операції
Молоко, з якого виробляють молочні продукти, повинно бути пастеризоване для знищення в молоці патогенних бактерій і небажаних вегетативних форм шкідливих для цих продуктів, а в деяких випадках і стерилізовано. Ефективність стерилізації залежить від температури і часу впливу на молоко.
Температурна обробка молока встановлена стандартами і переслідує дві мети: дотримання гігієнічних вимог для охорони здоров'я, підвищення стійкості молока при зберіганні.
Стерилізація молока - спосіб термічної обробки молока при температурі вище 100 0 С з метою знищення вегетативних клітин і більшості спор бактерій. Стерилізоване молоко має відповідати вимогам промислової стерильності, тобто у ньому не повинно міститися патогенних і токсигенних мікроорганізмів, а також мікроорганізмів - збудників псування. Тому готують стерилізоване молоко з сировини високої якості, в якому вміст спор бактерій не повинно перевищувати 100 КУО в 1 см 3 сирого молока. У стерилізованому молоці допускається наявність невеликої кількості спор бактерій, які не розмножуються і не викликають змін в продукті протягом усього терміну зберігання.
Існує 3 способи стерилізації молока:
- Пастеризація при 75 0 С ® стерилізація при 135-140 0 С в потоці ® охолодження до 70 0 С ® розлив у стерильні пляшки ® стерилізація при 116-120 0 С;
- Стерилізація в потоці при 140 0 С ® охолодження ® асептичний розлив у стерильні пакети;
- Пастеризація при 800С ® стерилізація в потоці при 1400С ® асептичний розлив у стерильні пакети.
Найбільш сучасним і поширеним способом виробництва стерилізованого молока є спосіб одноразової стерилізації молока в потоці з наступним розливом.
Мікробіологічний контроль стерилізованого молока здійснюється не рідше 2-3 разів на тиждень. Відібрані зразки повинні відповідати вимогам промислової стерильності. Для визначення промислової стерильності зразки зі стерилізованим молоком термостатують при 37 0 С протягом 3 діб. Після термостатно витримки проводять огляд зразків продукту.
При наявності здуття упаковки або зміни зовнішнього вигляду молока в пляшках (наявності згустку, пластівців, відстою сироватки та ін) упаковки вважають невідповідними вимогам промислової стерильності. Упаковки без зовнішніх дефектів розкривають, а продукт аналізують органолептично. Продукт відповідає вимогам промислової стерильності якщо не встановлено змін смаку і консистенції.
Для обробки молока в закритому потоці при високих швидкостях його руху служать трубчасті стерилізаційні установки.
Недоліки трубчастих стерилізаційних установок - висока металоємність і великі габаритні розміри в порівнянні з пластинчастими при рівній продуктивності; необхідність значного вільного простору з боку торців циліндричних теплообмінних секцій для роботи довгими йоржами при чищенні та миття апарату, відсутність секцій для рекунераціі теплоти, що знижує економічність роботи і звужує сферу застосування цих теплообмінників.
Внаслідок малої швидкості руху теплоносіїв одноходові теплообмінники працюють з порівняно невисоким коефіцієнтом теплопередачі. Підвищення цього коефіцієнта може бути досягнуто шляхом застосування трубок невеликого діаметра, у яких продукт буде рухатися з більшою швидкістю. Проте це часто призводить до необхідності створювати багатокорпусні або багатоходові апарати. (Лунін)
Багатоходові кожухотрубчасті теплообмінники найчастіше використовують як парорідинних підігрівачів, в яких рідина пропускають по трубках, що мають кілька ходів. Як правило, вони можуть мати жескую конструкцію.
Завдання
Спроектувати кожухотрубний теплообмінник для нагрівання G, кг / с, продукту від початкової температури t н 2 до кінцевої t до 2 теплоносієм з початковою температурою t н 1 і кінцевої температурою t до 1.
Вихідні дані для розрахунку:
Продуктивність G 1 = 3,36 кг / с
Початкова температура молока t н 2 = 8 º C
Температура пастеризації t 3 = 100,2 º C
Кінцева температура молока t до 2 = º C
Коефіцієнт рекуперації тепла ε = 0,8.
Початкова температура водяної пари t н 1 = 130 º C
Кінцева температура водяної пари t до 1 = 100 º C
Ступінь сухості водяної пари x = 0,9
Загальна допустима гідравлічний опір Р = 0,22 МПа
Середня питома теплоємність молока з м = 3890,9 Дж / (кг ∙ º С)
Щільність молока ρ м = 1032,5 кг / м 3
1. Тепловий розрахунок
1. Визначаємо середню температуру продукту (молока) в подогревателе:t м = 0,5 (t Н1 + t н2)
t м = (100,2 +8) / 2 = 54,1 ° С.
2. З таблиці 11 [1] визначаються фізичні властивості молока при tм:
з р = 3,875 кДж / (кг * К),
ρ = 1014 кг / м 3,
λ = 0,593 Вт / (м * К),
ν = 0,76 * 10 -6 м 2 / с,
Ρr = 5.
3. По таблиці 11.2 [6] по тиску водяної пари Р визначаємо характеристики насиченої пари:
ентальпія пара ί "= 2707 кДж / кг,
ентальпія конденсату ί '= 504,8 кДж / кг.
4. Кількість тепла, необхідне для підігріву продукту (молока) до заданої температури, тобто до 100,2 ° С:
Q = G * c р * (t к2 - t н2) φ n, кВт,
Q = 3,36 * 3,875 * (100,2-8) * 1,04 = 1248,5 кВт,
де φ n - поправочний коефіцієнт, φ n = 1,03-1,05.
5. Середній логарифмічний напір, створюваний у теплообміннику між гарячим і холодним теплоносіями розраховується:
Δt сер = (Δt б - Δt м) / 2,3 lg (Δt б / Δt м),
десь Δt б = t 1н - t 2н = 130-8 = 122 ° С, Δt м = t 2к - t 1н = 100,2 - 100 = 0,2 ° С.
Δt сер = (122 - 0,2) / (2,3 lg122 / 0,2) = 18,98 ≈ 20 ° С.
6. Задаємо швидкості руху продукту в трубах за умови, що швидкість руху в трубах лежить в межах ω = (0,6-1,5), м / с: ω '= 1м / с.
7. Задаємо зовнішній та внутрішній діаметри трубок, враховуючи, що всередині трубок протікає продукт, а зовні трубки омиваються пором:
d н = 35 мм, d вн = 25 мм.
8. Визначаємо необхідну кількість трубок для забезпечення даної швидкості продукту в одному ходу:
n '= 1,27 * G / d вн 2 * ω' * ρ
n '= 1,27 * 3,36 / (0,025) 2 * 1 * 1014 = 4,2672 / 0,634 = 6,73.
Значення n 'округляємо до цілого десятка n = 10 трубок.
9. Уточнюємо швидкість руху продукту по трубах за округленому числа n:
ω = 3600 G/2825 * * d вн 2 * ρ, м / с,
ω = 3600 * 3,36 / 2825 * (0,025) 2 * 1014 * 10 = 12096/17903, 4 = 0,68 м / с.
10. Визначаємо значення коефіцієнта тепловіддачі молока α2:
α 2 = Νu * λ / d вн,
Νu = 0,0225 * Re 0,8 * Pr 0,4,
Re = ωd вн / ν,
Re = 0,68 * 0,025 / 0,76 * 10 -6 = 22368> 10000, отже, має місце турбулентний режим.
Νu = 0,0225 * (22368) 0,8 * 5 0,4 = 129,014,
α 2 = 129,014 * 0,593 / 0,025 = 3060,2 Вт / (м 2 * К) = 3,06 кВт / (м 2 * К).
11.Необходімая поверхню для нагрівання продукту з урахуванням можливості забруднень:
F = Q / α 2 * Δt ср * ή з,
де ή з - коефіцієнт забруднень (ή з = 0,7-0,9),
F = 1248,5 / 3,06 * 20 * 0,8 = 1248,5 / 48,96 = 25,5 м 2.
Вибираємо тип теплообмінника ТК ГОСТ 15118-79 для нагрівання - охолодження.
12.Ісходя з того, що довжина теплообмінника лежить в межах 1,5-4 м, для компонування трубного пучка приймається число ходів продукту по трубах підігрівача, число ходів може бути 2, 4, 6 (у першому наближенні приймається довільно). Нехай Zм = 6.
13.Средняя довжина трубки одного ходу:
l '= F / π * d н * Z м, м,
l '= 25,5 / 3,14 * 0,035 * 10 * 6 = 25,5 / 6,594 = 3,9 м.
14.Расход пари на підігрів продукту становить:
G п = Q / (ι "- ι ') * x, кг / год,
де x - сухість водяної пари.
G п = 1248,5 / (2707-504,8) * 0,9 = 0,63 кг / с.
15.Чісло отворів під трубки в трубній дошці:
N 0 = Z м * n,
N 0 = 10 * 6 = 60 отворів.
16.Чісло труб, розміщених на діаметрі трубної решітки (найбільшою діагоналі шестикутника):
n d = 3 √ (4F р / 3t * f * β),
де β - відношення висоти або довжини теплообмінника до його діаметра:
β = Н / D = L / D, β = 3-5, приймемо β = 3;
t-крок розміщення трубок, м.
n d = 3 √ 4 * 25,5 / 3 * 0,044 * 0,144 = 3 √ 5368 = 17,51 ≈ 18.
17.Внутренній діаметр корпусу:
D в = N 0 * d н,
D в = 60 * 0,035 = 2,1 м.
Нехай трубки на трубної решітки закріплені зварюванням, тоді t = 1,25 d н,
t = 1,25 * 0,035 = 0,044 м.
f - поверхня одного метра труби прийнятого діаметра, м 2:
f = 2πr (r + h) / 3 = 2 * 3,14 * 0,0175 * (0,0175 +3,9) / 3 = 0,144.
18.Внутренніе діаметри кожухів, виготовлених зварюванням, рекомендується приймати від 400 до 3000 мм через кожні 200 мм. Якщо корпус виконується з труб, то зовнішній діаметр вибирають рівним 159, 273 або 325 мм. Нехай внутрішній діаметр кожуха дорівнює 3000 мм = 3 м, а зовнішній корпусу - 325 мм = 3,25 м.
19.Общее кількість труб, що розміщуються в межах правильного шестикутника,
n = 0,75 (n d 2 - 1) + 1,
n = 0,75 * (18 2 - 1) + 1 = 243,25 ≈ 244.
20.Діаметр трубної решітки або внутрішній діаметр кожуха теплообмінника для багатоходового теплообмінника:
D вн = 1,1 t √ n / η, де η = від 0,6 до 0,7.
D вн = 1,1 * 0,044 * √ 244 / 0,6 = 0,05 * 20,14 = 1,007 м
21.Полная висота теплообмінника, м:
Н = l + 2δ +2 h,
де δ - товщина трубної решітки, м; h - висота предтрубной камери, м; конструктивно приймають від 200 до 400 мм, приймемо h = 300 мм = 0,3 м.
Н = 3,9 + 2 * 1,26 * 10 -3 + 2 * 0,3 = 3,9 + 2,52 * 10 -3 + 0,6 = 4,5 м.
22.Чісло ходів у міжтрубному просторі:
Ζ МТР = 0,785 [(D вн - nd н 2) ρω МТР] / G МТР,
де S МТР - прохідний перетин міжтрубного простору кожухотрубного апарату (без перегородок), м 2:
S МТР = 0,785 (D вн 2 - nd н 2),
S МТР = 0,785 (1,007 2 - 244 * 0,035 2) = 0,56 м 2,
S - живий перетин проходу теплоносія, м 2:
S = G / ωρ,
S = 3,36 / 0,68 * 1014 = 0,005 м 2.
h = 0,56 / 1,007 * (1 - 0,035 / 0,005) = 0,093 м = 93 мм.
Ζмтр = 0,785 [(2,12 - 244 * 0,0352) 1014 * 0,68] / 3,36 = 0,785 * 2834,62 / 3,36 = 662.
23. Відстань між сегментними перегородками міжтрубного простору:
h = Sмтр / [D (1 - dн / S)],
2. Гідравлічний розрахунок
Гідравлічний розрахунок виконується для визначення втрат тиску і витрат енергії на подолання цих втрат.1. Загальні втрати тиску визначаються:
ΔΡ = ΔΡ тр + ΔΡ мс
або напору
h п = h тр + h мс, де
ΔΡ тр (h тр) - втрати тиску (напору) на подолання опорів тертя при русі теплоносіїв через канали установки,
ΔΡ мс (h мс) - втрати тиску (напору) на подолання місцевих сопротівлеій.
2. Кінцеве рівняння для розрахунку втрат тиску (напору) має вигляд:
ΔΡ заг = ΔΡ тр + ΔΡ + ΔΡ р,
Н заг = h тр + h а + h г,
де
ΔΡ тр (h тр) - втрати тиску (напору) а провідних і відвідних трубопроводах, Па, мм вод. Ст.;
ΔΡ (h а) - втрати тиску (напору) в теплообміннику, Па, мм вод. ст.;
ΔΡ г - втрати тиску при підйомі рідини на висоту h р, Па.
ΔΡ тр = λ * l / d е. * ρω 2 / 2,
ΔΡ тр = 0,295 * (3,9 / 3,9) * (1014 * 0,68 2) / 2 = 69,160 Па = 0,069 кПа, де
λ - коефіцієнт тертя, значення якого залежить від режиму течії середовища і від відносної шорсткості каналу, при турбулентному режимі (Re = 22368) визначають зону тертя:
e = Δ / d е = 0,02 * 10 -3 / 3,9 = 0,005 * 10 -3 - відносна шорсткість стінок труби (каналу),
Δ - абсолютна шорсткість, м, для нових чистих сталевих безшовних труб Δ = 0,01-0,02 мм = 0,02 * 10 -3 м, приймемо Δ = 0,02 * 10 -3 м.
e = 0,02 * 10 -3 / 3,9 = 0,05 * 10 -3,
560 / e = 560 / 0,05 * 10 -3 = 11200 <Re => автомодельний зона тертя =>
λ = 1,1 * (0,005 * 10 -3) 0,25 = 1,1 * 0,268 * 10 0,75 = 0,295
ΔΡ = (λ * l / d е. + Σξ) * ρω 2 / 2, де
Σξ - сумарний коефіцієнт місцевих опорів,
Σξ = 0,2 +1,0 +1,0 +1,0 +1,5 = 4,7.
ΔΡ = (0,295 * 3,9 / 3,9 + 4,7) * 1014 * 0,68 2 / 2 = 1171,03 Па = 1,17 кПа,
ΔΡ г = ρgh р,
ΔΡ г = 1014 * 9,81 * 3,9 = 38794,63 Па = 38,794 кПа.
ΔΡ заг = 0,069 + 1,17 + 38,794 = 40,033 кПа = 40033 Па.
3. Потужність, що витрачається на переміщення продукту, або потужність на валу насоса:
N н = G * ΔΡ заг / ρη, де
η - ККД насоса, приймемо η = 0,6.
N н = 3,36 * 40033/1014 * 0,6 = 221,09 Вт = 0,22 кВт.
4. Потужність електродвигуна, кВт:
N дв = N н * 10 -3 * η дв * η п, де
η дв - ККД двигуна,
η п - ККД передачі від двигуна до насоса, нехай η п = 0,8.
N дв = 221,09 * 10 -3 / 0,8 * 0,6 = 0,46 кВт.
На основі проведених розрахунків підбираємо консольний насос марки ХМ2/25 n = 2900 об / хв і електродвигун для нього тип 4А71В2 потужністю 1,1 кВт.
3. Розрахунок теплової ізоляції
Будь-яке нагріте тіло втрачає тепло в навколишнє середовище, що істотно збільшує витрати на даний процес. Для зниження цих витрат і дотримання вимог техніки безпеки використовують теплову ізоляцію.Температура на поверхні ізоляції з умов безпеки роботи t з = 45 ° С.
Температура навколишнього середовища:
t 0 = 20 ° С.
Товщина теплової ізоляції:
δ з = λ з * (t СТ1 - t з) / α 0 * (t з - t 0), де
t СТ1 = 130 ° С,
δ з = 0,082 * (130-45) / 11,49 * (45-20) = 6,97 / 287,25 = 0,024 м = 24 мм.
Приймемо як теплоізоляційний матеріал піноскло (гранична температура використання 300 ° С): λ з = 0,082 Вт / (м 2 * К).
Так як термічне опір тепловіддачі від гарячого теплоносія ізольованої поверхні, а також термічний опір цієї поверхні дуже малі в порівнянні з термічним опором ізоляції, то питома тепловий потік можна розрахувати:
q = α 0 * (t з - t 0),
де
α 0 - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні апарату до повітря, Вт / (м 2 * К),
α 0 = 9,74 + 0,07 * (t з - t 0) = 9,74 + 0,07 * (45-20) = 11,49 Вт / (м 2 * К),
q = 11,49 * (45-20) = 287,25 Вт / м 2.
4. Механічний розрахунок
Корпус теплообмінного апарату виконується зварним, з листової сталі 20К. Тоді допустима напруга в залежності від температури стінки вибираємо [σ] * = 139 МПа.Розрахунок товщини стінок на внутрішньо тиск:
Товщина стінки при розрахунку на внутрішній тиск перевіряється за формулою:
δ = (Р * D / 2 [σ] доп * φ) + С, де
δ - товщина стінки корпусу, м;
Р - внутрішнє надлишковий тиск у корпусі, МПа;
D - внутрішній діаметр корпусу, м;
[Σ] доп - допустима напруга, МПа, [σ] доп = [σ] * η = 139 * 0,9 = 125,1 МПа,
η - коефіцієнт, що враховує конструкцію та умови роботи апарату, η = 0,9 для судин, що обігріваються топковим газами [4];
φ - коефіцієнт міцності зварного шва для односторонньої зварювання
φ = 0,65;
С - поправка на корозію, овальність і т. д., З = 0,003 м. [4]
δ = 0,22 * 2,1 / 2 * 125,1 * 0,65 + 0,001 = 0,462 / 162,63 + 0,003 = 0,0058 м = 5,8 мм.
Розрахунок товщини стінок на зовнішній тиск:
Товщина стінок на зовнішній тиск при розрідженні в апараті:
δ = (Р н * D н / 2 * [σ] з * φ) + С,
де Р н - зовнішнє надлишковий тиск, МПа;
D н - зовнішній діаметр циліндра, м;
[Σ] с - напруга, що допускається на стиск,
МПа, [σ] з = [σ] доп = 125,1 МПа;
С - конструктивна прибавка, З = 0,003 м. [4].
δ = 0,1 * 0,325 / 2 * 125,1 * 0,65 + 0,001 = 0,0325 / 162,63 + 0,003 = 0,0032 м =
= 3,2 мм.
Розрахунок товщини трубних решіток:
Товщина трубних решіток вибирається залежно від діаметра розміщених у ній труб. Крок між сусідніми трубами повинен бути не менше t = 4,8 d н = 4,8 * 0,035 = 0,168, тоді товщина трубної решітки при заданому кроці:
Δ р = 4,8 * t / (t - d н),
Δ р = 0,168 / (0,168 - 0,035) = 0,168 / 0,133 = 1,26 мм.
Розрахунок товщини кришок:
Форма кришок та днищ в теплообмінних апаратах буває різною (сферичної, еліптичної, конічної або плоскою).
Номінальна товщина стінки еліптичного днища:
δ = Р * D н * К * / 2 [σ] доп φ + С, де
К - фактор форми днища, К = 1,10; [4], табл. 5,8 с.124
δ = 0,22 * 0,325 * 1,1 / 2 * 125,1 * 0,65 + 0,003 = 0,0787 / 162,63 + 0,003 = 0,0035 м = 3,5 мм.
Список використаної літератури
1. Солнцев В.Д. Процеси і апарати харчових виробництв хімічної технології: Навчально-методичний посібник. - Владивосток: Вид-во ТДЕУ, 2006. - 100с.2. Гінзбург А.С., Громов М.А, Красовська Г.І. Теплофізичні характеристики харчових продуктів: Довідник. - М.: харч. пром-сть, 1980. - 286с.
3. Кавецький Г.Д., Васильєв Б.В. Процеси і апарати харчових технологій. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Колос, 1999. - 551 с.
4. Лунін О. Г., Вельтищев В. Н. Теплообмінні апарати харчових виробництв. - М.: Агропромиздат, 1987. - 239с.
5. Соколов В. І. Основи розрахунку і конструювання машин та апаратів харчових виробництв. - М.: Машинобудування, 1983. - 484с.
6. Угрюмова С. Д. Теплотехніка: Підручник. Владивосток: Видавництво ДВГАЕУ, 1999. - 296с.