Проект змієвикового теплообмінника для охолодження цукрового розчину продуктивністю 1800 кг/год

Завдання:

Q = 1800 кг/год.

tр = 45˚C

tр =21˚C

tв.п. = 19˚C

tв.к = 41˚C

Концентрація цукрового розчину 33 %

ЗМІСТ

Вступ

1.Описання проектованого апарата

2.Місце та призначення апарата в технологічній схемі

3. Розрахунки

3.1.Тепловий розрахунок

3.2.Конструктивний розрахунок

3.3.Гідравлічний розрахунок

3.4.Розрахунок теплової ізоляції

3.5 Техніко-економічні розрахунки

Список використаної літератури

ВСТУП

Теплообмінні апарати різних конструкцій широко використовують в харчовій і інших галузях промисловості.

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, а речовину з нижчою температурою - холодним. Як гарячі теплоносії в харчовій промисловості найчастіше використовують водяну пару, гарячу воду, нагріте повітря, димові гази і гарячі мінеральні масла, а як холодні теплоносії – воду, повітря, ропу ( розсол), аміак і фреони.

Процеси теплообміну відбуваються повсюди, де необхідно нагрівати або охолоджувати те чи інше середовище з метою його обробки або для утилізації тепла. Для передачі тепла від середовища з високою температурою до середовища з низькою використовують теплообмінні апарати різних конструкцій.

Вимоги до промислових теплообмінних апаратів в залежності від конкретних умов використання досить різноманітні. Основними з них є: забезпечення найбільш високого коефіцієнта теплопередачі при можливо меншому гідравлічному опорі; компактність і найменша витрати матеріалів на одиницю теплової потужності апаратів; надійність і герметичність у поєднанні з розбірністю і доступністю до поверхні теплообміну для механічного очищення від забруднень Ії.

Через велику різноманітність вимог до теплообмінних апаратів, економічно невигідно, а часто і зовсім недоцільно обмежитись будь-якою однією конструкцією теплообмінників.

За способом передачі тепла теплообмінні апарати ( їх часто називають теплообмінниками) можна поділити на дві основні групи: поверхневі теплообмінники і теплообмінники змішування.

В поверхневих теплообмінниках передача тепла від одного середовища до іншого відбувається звичайно через металеву стінку, яку умовно прийнято називати поверхнею теплообміну.

В теплообмінниках змішування передача тепла відбувається в процесі безпосереднього з’єднання і перемішування середовищ , що ,вочевидь, допустимо лише за певних умов, які значно обмежують використання апаратів такого типу.

1.Описання проектованого апарата

В залежності від конструктивного виконання поверхневі теплообмінники

поділяють на трубчаті, пластинчасті, спіральні, теплообмінники з рубашкою і теплообмінники з оребреною поверхнею. Трубчаті теплообмінники зустрічаються кожухотрубні, типу ”труба в трубі”, зрошувальні та змієвікові.

Змієвикові теплообмінники за класифікацією відносять до заглибних теплообмінників.

Такий теплообмінник являє собою корпус 2 , закритий вгорі кришкою . Змійовик 3 занурений у рідину, яку охолоджують.( див. креслення) Для підводу розчину слугує патрубок Б, виходу розчину - патрубок В. Охолодна вода подається через патрубок Г і виходить відпрацьована вода через патрубок Д.

Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках порівняно низький , але через простоту виготовлення вони набули значного поширення.

На рис.1.1 наведена схема руху теплоносіїв в змійовиковому теплообміннику

Рис. 1.1 Схема заглибного змійовикового теплообмінника

І – цукровий розчин; ІІ – охолодна вода

1 – витіснюваний стакан;

2 – корпус;

3 – змійовик.

2. Місце та призначення апарата в технологічній схемі

Даний курсовий проект передбачає охолодження цукрового розчину у виробництві батонів . За цією схемою цукровий сироп перед подачею в тістомісильну машину охолоджується в теплообміннику 24 до температури 21˚С. Сюди ж подається сіль , борошно, дріжджі і вода. Замішене тісто поступає в бункер 7, звідки подається на тістоділитель 22, потім шматки тіста закруглюються на тістозакруглювачі 20 і ковшовим транспортером 19 подаються в тістозакаточну машину з відбраковщиком шматків тіста 18. Потім заготовки поступають у шафу остаточного розшарування тіста 8 і надходять в тунельну піч 9. Випечені батони конвеєром –транспортером 17 подаються в конвеєрну шафу для охолодження хліба 10, звідки через циркуляційний стіл 16, укладаються в контейнери для хліба 11 і завантажувачем 13 транспортуються в машини і до споживача.

3. Розрахунки

Вихідні дані:

Q = 1800 кг/год. = 0,5кг/с

tр = 45˚C

tр =21˚C

tв.п. = 19˚C

tв.к = 41˚C

Концентрація цукрового розчину СР= 33 %

3.1. Тепловий розрахунок

Середню різницю температур між розчином і охолодною водою визначаємо як середньологарифмічну різницю:

Δt= ; (3.1.2)

де Δt, Δt- різниці температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника;

Δt= t΄р–; Δt = – ; (3.1.3.)

Δt=45-41 = 4˚С;

Δt=21-19 = 2˚С.

Δt ==2,9˚С;

Середня температура рідини, яку охолоджують:

t=0,5*( t΄с + ) = 0,5*(45+21) = 33˚С

При середній температурі tвизначаємо теплофізичні параметри розчину): [2, Д.1-4]

в’язкість =2,84*10-3Па*с;

густину цукрового розчину визначаємо за формулою:

; кг/м³ (3.1.4.)

= 1144 кг/м³;

СР = 33,0%;

t= 33 ˚С;

= 1144-(0,4+0,0025*33,0)(33-20) =1137,7кг/м³.

Теплоємність с = 4190-(2520-7,5* t)*; (3.1.5.)

с = 4190-(2520-7,5*33)*= 3440,1 Дж/кг*К

коефіцієнт теплопровідності рідини:

; (3.1.6.)

де - теплопровідність води при заданій температурі tв =(19+41)/2 = 30˚С , Вт/(м*К);

= 0,622 Вт/(м*К). [2,табл.Д10]

- коефіцієнт, визначаємо[2,табл.Д3] методом інтерполяції при

СР = 33%

= = 0,817

= 0,817*0,622*(1-556*10*33,0)= 0,414 Вт/(м*К)

Pr == = 23,6 (3.1.7.)

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат:

Q = x*G с *c с *(t΄с -); Вт (3.1.8.)

де х – коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище;

х = 0,950,97

приймаємо х = 0,95

G – витрата розчину, кг/с;

G = 1800 кг/год = 0,5кг/с;

с – теплоємність цукрового розчину, Дж/(кг*К); визначили з формули (3.1.5.)

с = 3440,1Дж/(кг*К)

Q = 0,95*0,5*3440,1*(45-21) =39217,14Дж/с

Витрата охолодної води, кг/с:

(3.1.9.)

де G - маса розчину, кг/с;

св, ср - питомі теплоємності відповідно охолодної води і цукрового розчину, кДж/(кг*К);

t΄в, - початкові температури відповідно охолодної води і цукрового розчину, ˚С;

, – кінцеві температури відповідно охолодної води і цукрового розчину, ˚С;

G = =0,48 кг/с;

Загальний коефіцієнт теплопередачі визначаємо за формулою:

К= ; (3.1.10.)

де - коефіцієнт тепловіддачі від води до стінки, Вт/(м²*К);

- товщина стінки, м;

- теплопровідність стінки, Вт/(м*К);

Приймаємо , що матеріал трубок – сталь ;

= 46 Вт/(м*К);

- коефіцієнт тепловіддачі від стінки до рідини, Вт/(м²*К);

Коефіцієнт тепловіддачі визначається залежно від режиму руху цукрового розчину.

Визначимо критерій Рейнольдса, який характеризує гідродинамічний режим руху розчину, за формулою:

Re = ; (3.1.11.)

де dв – діаметр трубок; d = 0,03м.

Приймаємо швидкість руху цукрового розчину 0,6м/с:

Re1= =7210

Оскільки 2320 <Re <10000, тоді

Nu =0,008*Re*Pr*(); (3.1.12.)

Поправка, що враховує напрямок теплового потоку ()мало відрізняється від одиниці. Тому вважаємо , що ()=1

Nu 1= 0,008*7210*23,6*1 = 0,008*2965,8*3,89 = 92,3

За знайденою величиною Nu 1:

= ; (3.1.13.)

де d- визначальний геометричний розмір – внутрішній діаметр трубки, м;

d=30мм = 0,03 м.

- коефіцієнт теплопровідності;

= 0,414 Вт/(м*К)

= = 1273,7Вт/(м²*К)

Обчислимо значення коефіцієнта тепловіддачі за формулою:

Re = ;

Параметри води при температурі 0,5*(19+41) = 30˚С

= 804*10-6 Па*с; динамічна в’язкість води; [2, ст 59]

= 996 кг/м3; густина води.

Pr = 5,42

- коефіцієнт теплопровідності води; =0,618Вт/(м*К)

- швидкість руху води, приймаємо 1 м/с.

d – еквівалентний діаметр

Re = =37164

критерій Nu знайдемо з формули:

Nu = 0,021Re0,8 *Pr0,43()0,25

Nu = 0,021*371640,8*5,420,43*1 =0,021*4529,9*2,08 = 197,9

= =4076,74 Вт/(м²*К)

Визначимо коефіцієнт теплопередачі:

К = =941Вт/(м²*К)

Площу поверхні нагрівання теплообмінника визначаємо за формулою:

F = ; (3.1.14.)

F = =14,37м²

3.2. Конструктивний розрахунок

Приймаючи діаметр витка змійовика d з і відстань між витками по вертикалі h, знаходимо довжину одного витка змійовика як гвинтової лінії по формулі:

(3.2.1)

Значенням h можна знехтувати, оскільки звичайно його приймають рівним 1,5-2 діаметрам труби змійовика.

d з = 1,2м

= 2,6м

загальна довжина змійовика

(3.2.2.)

= 152,5 м

Число витків змійовика

(3.2.3)

= 58,6 = 59

Загальна висота

(3.2.4)

2,93 м = 3м

Внутрішній діаметр D корпуса теплообмінника, в який поглинається змійовик, приймаємо в межах:

= 1,2+3,5*0,033 = 1,31 = 1,4м

Діаметр патрубків визначаємо за рівнянням об’ємних витрат, м³/с:

V = = ; (3.2.5.)

звідки d= 1,13*; м (3.2.6)

За формулою 3.2.6 визначаємо розміри патрубків для робочих середовищ, при їх параметрах, вказаних в таблиці 3.2.1.

Таблиця 3.2.1.

Діаметр патрубка для входу цукрового розчину в апарат:

d = 1,13*= 0,03м

приймаємо d = 0,032 м

Діаметр патрубка для входу охолодної води:

d = 1,13*= 0,024 м

приймаємо d = 0,032 м

Діаметр патрубку для виходу розчину і води приймаємо такий самий як і для входу.

3.3. Гідравлічний розрахунок

Розрахунок проводять для визначення потужності насосів та встановлення оптимального режиму роботи апарату. Потужність, необхідну для переміщення теплоносія через апарат, Вт, визначимо з формули:

N = ; (3.3.1.)

де V -об'ємні витрати рідини, м³/с;

ΔP – перепад тисків в апараті, Па;

- к.к.д. насосу.

Гідравлічний опір апарату складається з опору тертя ΔPі місцевих опорів ΔP. Отже, повний гідравлічний опір:

; (3.3.2.)

де - коефіцієнт гідравлічного тертя;

L – загальна довжина труби, м;

d – діаметр труби, м;

- коефіцієнт місцевого опору;

w – швидкість руху теплоносія, м/с;

- густина теплоносія, кг/м³.

При турбулентному русі в гідравлічно гладких трубах (Re = 4*10³…10):

= ; (3.3.4.)

= = 0,023

Обчислюємо суму коефіцієнтів місцевих опорів в апараті (наближено):

= 1,5*(n-1) =1,5*(59-1) = 87

Тоді ΔP = (0,023*=41760,1 Па;

Потужність приводу насосу цукрового розчину складе :

N = =22,9Вт;

3.4. Розрахунок теплової ізоляції

Теплова ізоляція – один із основних факторів, які зменшують втрати теплоти і зберігають паливо.

Товщина ізоляції повинна бути такою, щоб температура на Ії поверхні була не більшою за 50 ˚С.

tр = 45˚C

tр =21˚C

Середня температура рідини, яку охолоджують:

t=0,5*( t΄с + ) = 0,5*(45+21) = 33˚С

В зв’язку з тим, що середня температура розчину 33˚С ми не будемо влаштовувати на апарат теплову ізоляцію.

Товщина ізоляції:

; (3.4.1.)

де - теплопровідність ізоляційного матеріалу, Вт/(м*К);

t, t, t- температура відповідно в апараті, на поверхні ізоляції та повітря, що оточує апарат, ˚С;

- сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, Вт/(м²*К);

); (3.4.2.)

В зв’язку з тим, що середня температура розчину 25,5˚С ми не будемо влаштовувати на апарат теплову ізоляцію.

3.5.Технікo- економічний розрахунок

Техніко-економічний розрахунок теплообмінників дозволяє знайти оптимальні умови роботи апарату з урахуванням капітальних витрат, амортизації обладнання і експлуатаційних витрат.

На інтенсивність теплообміну впливає в першу чергу швидкість руху рідини в теплообміннику. З Ії зростанням підвищується коефіцієнт теплопередачі, зменшуються поверхня теплообміну і капітальні витрати на виготовлення апарату, віднесені до одного року роботи апарату (амортизаційні витрати). Разом з тим збільшення швидкості руху рідини призводить до підвищення гідравлічних опорів і витрат енергії на їх подолання. Внаслідок цього зростає вартість електроенергії, спожитої за рік електродвигуном, який приводить в дію насос для прокачування рідини через теплообмінник, а відповідно, і експлуатаційні витрати.

Оптимальна швидкість руху рідини повинна відповідати мінімуму функції:

К= К+ К; (3.5.1.)

де К, К, К- відповідно сумарні, амортизаційні і експлуатаційні витрати, грн./ рік .

Амортизаційні витрати:

К= F*c*a; (3.5.2.)

де F – поверхня теплообміну, м²;

с- вартість 1 м² поверхні теплообміну апарату, грн./м²;

Приймаємо с= 500 грн./м².

а – річна частка амортизаційних відрахувань, % ;

а = ; (3.5.3.)

Р – роки експлуатації;

а = = 0,1

Ка = 14,37*500*0,1=718,5 грн./ рік

Експлуатаційні витрати:

К= N*c*; (3.5.4.)

де N – потужність електродвигуна насосу, кВт;

с- вартість 1 кВт* год. електроенергії, грн. / кВт* год.;

с= 0,50 грн. / кВт* год.

- кількість годин роботи теплообмінника на рік (24 години, 320 діб);

= 24*320 = 7680 год.

Ке = 0,0229*0,50*7680 = 87,94грн./ рік

Тоді сума витрат складе:

К = 718,5+87,94= 806,44грн./ рік

Сумарні витрати на амортизацію і експлуатацію складають 806,44грн./рік.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. В.Н.Стабников, В.И. Баранцев. „Процессы и аппараты пищевых производств”, Москва, „Легкая и пищевая прмышленность”,1983г.

2. Процеси і апарати харчових виробництв. Методичні вказівки до вивчення дисципліни та виконання контрольних робіт для студентів технологічних спеціальностей заочної форми навчання, Київ, НУХТ,2002.

3. К.Ф.Павлов, П.Г. Романков, А.А.Носков . Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, « Химия» , Ленинградское отделение, 1976г.

4. О.Г. Лунин « Теплообменные аппараты пищевой промышленности»,

Москва, «Пищевая промышленность», 1967.

5. В.И. Баранцев «Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств», Москва, Агропроимиздат, 1985

6. Процеси і апарати харчових виробництв. методичні вказівки для виконання курсового проекту для студентів технологічних спеціальностей напряму 0917 « Харчова технологія і інженерія» денної та заочної форм навчання , Київ, НУХТ,2003