Назва реферату: Проект змієвикового теплообмінника для охолодження цукрового розчину продуктивністю 1800 кг/год
Розділ: Технічні науки
Завантажено з сайту: www.refsua.com
Дата розміщення: 25.01.2012
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.
Середовище |
w |
|
G |
Цукровий розчин |
0,6 |
1137,7 | 0,5 |
Охолодна вода | 1,0 | 996 | 0,48 |
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