Конструктивный расчет аппарата для предварительного подогрева сока перед упариванием

Конструкционно теплообменники подразделяют на:

• объемные одна из сред имеет значительный объем в теплообменнике, одна среда сосредоточена в баке большого объема, вторая протекает через змеевик;

• скоростные (кожухотрубные) среды движутся с достаточно большой скоростью для увеличения коэффициента теплоотдачи, много мелких трубок находятся в одной большой трубе (кожух), среды движутся одна в межтрубном пространстве, другая внутри трубок, обычно в трубках находится более «грязная» среда, так как их легче чистить;

• пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин, среды движутся между пластинами, прост в изготовлении (штампованные пластины складываются с прокладками между ними), легко модифицируется (добавляются или убираются пластины), хорошая эффективность (большая площадь контакта через пластины).

• пластинчато-ребристый теплообменник в отличие от пластинчатого теплообменника состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам методом пайки в вакууме.С боков каналы ограничиваются брусками, поддерживающими пластины и образующими закрытые каналы. Таким образом, в основу пластинчато-ребристого теплообменника положена жесткая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сотовому принципу и работоспособная (даже в исполнении из алюминиевых сплавов) до давления 100 атм. и выше. В пластинчато-ребристых теплообменниках существует большое количество насадок, что позволяет подбирать геометрию каналов со стороны каждого из потоков, реализуя оптимальную конструкцию. Основные достоинства данного типа теплообменников - компактность (до 4000 м2/м3) и легкость. Последнее обеспечивается за счет применения при изготовлении теплообменной матрицы пакета из тонколистовых деталей из легких алюминиевых сплавов.

• Оребренные пластинчатые теплообменники, ОПТ состоит из тонкостенных оребренных панелей, изготовленных методом высокочастотной сварки, соединенные поочередно с поворотом на 90 градусов. За счет конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры греющих сред, небольшие сопротивления, высокие показатели отношения телепередающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стоимость и др. Часто используются для утилизации тепла отходящих газов.

• спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна. Среды движутся по своим каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.

При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменниками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопередачи которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухотрубных .

        А какой аппарат выбрали Вы ? И почему?

 

 

Введение ОТЛИЧНОЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Данные для расчета

Начальная температура томатного сока tсн = 18˚С

Конечная температура томатного сока tск = tкип

Нагреваемый продукт – томатный сок  перед упариванием

Производительность теплообменника G = 3,5м/час

Греющий агент – водяной пар давлением

Давление греющего пара Ргр = 400 КПа

Степень сухости пара Х=0,95

 

При давлении пара Р=400КПа    tп=143ос     ( СМ. далее расчеты)

Это же касается и  др. параметров пара   ( r=……)  см.  табл. Вукаловича М.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Теплотехнический  расчет

В основе теплотехнического расчета лежит основное уравнение теплопередачи:

Q=KˑFˑtср

Где :

 Q - количество тепла, переданное от одного теплоносителя к другому в единицу времени, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/ м2ˑК;

F – поверхность нагрева аппарата, м2;

tср – средний температурный напор, ˚С.

В непрерывных процессах теплообмена при движении теплоносителей вдоль поверхности нагрева температура их изменяется. Обычно в расчетах пользуются средней разностью температур tср, которую находят по формуле:

tср= , если

Где,tБ , -большая и меньшая разность температур, ˚С

Большая и меньшая разность температур находится по формуле:

Где график изменения температур ?          tкип.=  ?  -   ( найти)

tБ = tП-tмн=138-18=120˚С

=tП-tмн =138-88=50˚С

 

tср=

Находим среднюю температуру сока:

tC=tN-tср=138-80,45 =57,55              и  т.д.>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

определим !теплофизические показатели сока при данной температуре: ???

Плотность: ρ=983,2 кг/м 3

Удельная теплоемкость: с = 4204Дж/(кг К)

Коэффициент теплопроводности: λ= 0,659 Вт/(м К)

Кинематический коэффициент вязкости: ν= 0,479x10 6 м 2 /с

Значение критерия Прандтля: μ=0,0048 Па  с

Тепловая нагрузка любого теплообменника определяется по уравнению теплового баланса. При нагревании продукта паром уравнение теплового баланса имеет вид:

Q=Dˑrˑx=GМˑcМ(tмк-tмн)ˑφП,

где, D,Gм - количество пара и сока проходящих через аппарат за единицу времени (массовый расход), кг/с;    Gс= 3,5х1000/ 3600 = 0,97 кг/с

cМ - средняя удельная теплоемкость сока, Дж /кг К;

tмк-tмн - конечная и начальная температура сока , ˚С;

φП=1,031,05 (т.е. 3-5% от полезно затраченного тепла);

x - степень сухости пара;

r - удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Находим расход пара из уравнения теплового баланса:

D=кг/c     и т.д.

Объемный расход пара и сока находим по формуле:

 м3/c

м3/c

Где, ρм, ρп - плотности пара и сока, кг/м 3

Выбираем путь движения сред (сока).

Диаметр внутренней трубы определяем по формуле:

==0,023 м

По ГОСТ 9930-78 принимаем ближайшее значение диаметра, равное 25х2мм

Внутренний диаметр наружной трубы определяем по формуле:

 

Где,-средние скорости  течения сока и пара в трубах, м/с;

                               (принимаем w=2 м/с)

Оптимальный диаметр наружной трубы по ГОСТ 9930-78 равен57*3 мм.

Уточняем скорость течения пара в межтрубном пространстве:

 

Уточняем скорость течения продукта и режим течения среды.

Скорость течения продукта должна быть не более 3 м/c,а режим –

Турбулетным (Re >10000):

 

Критерий Рейнольдса  рассчитываем по формуле:

 

Где, - коэффициент динамической вязкости,

Расчетная формула критерий Нуссельта (Nu) при переходном режиме рассчитывается по формуле:

 

 

Где,Pr –критерий Прандтля,характеризующий физическое свойсво теплоносителя.

При нагревании житкости коэффициент(Pr/Prcт)можно принять равным 1,05;              Е=1

Коэффициент теплоотдач от стенки внутренней трубы к соку рассчитывается:

 

• Где,-коэффициент теплопроводности среды ,,

-внутренней диаметр внутренней трубы,м.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке находим по формуле:

 

Где, А  -коэффициент ,зависящей от расположения поверхности нагрева, для горизонтальных труб       -       0 ,728;

R удельная теплота парообразования, ДЖ/кг;

p- плотность плёнки конденсата, кг/;

λ- коэффициент теплопроводности плёнки конденсата,;

V – коэффициент киниматической вяскозти конденсата , м/с;

- перепад температур между  паром и стенкой(находится в  пределах)

 

Н – высота стенки , для горизантальных труб Н=d,м.

Определяем коэффициент теплоотдачи с помощью метода последовательных приближений : при установившемся тепловом режиме удельный тепловой поток  , т. е. количество тепла , переданного от горячего теплоносителя к холодному через единицу поверхности теплопередачи в единицу времени ,постоянен:

 

Где,– средняя разность температур,

-разность температур  пара и стенки со стороны  пара,;

 - разность температур по обе стороны стенки,;

-разность температур  стенки со стороны продукта  и средней температуры продукта,;

-коэффициент  теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке,;

- суммарное термическое  сопротивление стенки.

Суммарное термическое сопротивление стенки можно найти по формуле:

=0,00055…….

Где, -толщина стенки, м;

-коэффициент теплопроводности,

- толщина загрязнения стенки, м;

- коэффициент  теплопроводности слоя загрязнителя  стенки,

                                      Первое приближение

Температуру наружной поверхности стенки трубы принимаем:

     и т.д.

Все параметры пленки конденсата зависят от ее температуры, которую можно найти по формуле:

 

Плотность пленки конденсата,

 

Коэффициент теплопроводности

 

Кинематический коэффициент вязкости, /с

 [4]

 

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к стенке трубы рассчитывается по формуле:

            и  т.д.------------------

Температуру внутренней поверхности стенки трубы рассчитываем по формуле:

 

 

Удельный тепловой поток соку от стенки трубы рассчитывается по формуле:

 

                                       Второе приближение.

Температуру наружной поверхности стенки трубы принимаем, равной:

 

Все параметры пленки конденсата зависят от ее температуры, которую  можно найти по формуле:

 

Плотность пленки конденсата, кг/

P=932,45кг/

Коэффициент теплопроводности,

 

Кинематический коэффициент вязкости, /с 

 [4]

 

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к стенке трубы можно найти по формуле:

 

Температуру внутренней поверхности стенки трубы рассчитываем  по формуле:

Удельный тепловой поток соку от стенки трубы  определяю по  формуле:

 

Задавшись двумя значениями    и определив для этих значений удельный тепловой поток строят график зависимости по которому определяют значение, при котором g=const.

                                    Где  график??????

 

Проверочный  расчет:

 

 

 

 

Плотность пленки конденсата,

P=932,45

Коэффициент теплопроводности,

 

 

Кинематический коэффициент вязкости, /с

 

Рассчитав значение температуры стенки , уточняют значение коэффициента теплоотдачи :

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к  стенке трубы рассчитываю по формуле:

Температура  внутренней поверхности стенки трубы рассчитываю по формуле:

Рассчитываю удельный тепловой поток, переданный от стенки трубы к соку:

 

 

                                           Погрешность расчета:

        ???!!!

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки определяется по формуле (коэффициент теплопередачи К является основной величиной, характеризующей эффективность работы теплообменных аппаратов):

 

Где- коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к стенке,

-коэффициент  теплопередачи от стенки к  холодному теплоносителю (продукту),

- толщина стенки с учетом  слоя накипи, м;

λ-Коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Конструктивный расчёт

 

Площадь поверхности теплообмена рассчитываю по формуле:

 

 

 

Общая длина трубы:

 

 

Где,  - средний диаметр трубы, м;