Курсовой проект
На тему:
''Проект спирального теплообменника"
Могилев 2005
Введение
Виноградный сок изготавливают натуральный, неподслащенный прозрачный. Сырье должно обеспечить содержание сухих веществ в соке разных товарных сортов не менее 14–16%; кислотность по винной кислоте -0,2–1,0%. Сахарокислотный желателен в пределах 22–28. В зависимости от товарного сорта в соке допускается от 0,05 до 0,15% осадка.
Хороший сок дает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия, Сильванер, Ркацетели, Кокур, Саперави, Воскеат и др.
Виноград моют в вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагу с поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребни перед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ, придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестве дренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкцией пресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужно обязательно удалять.
Выход сока в среднем составляет (в % от массы мезги) 72,3 – -63,6% сока самотека и 1 фракции и 20,2% сока 2 фракции и 3 фракции.
Отжатый виноградный сок процеживают и центрифугируют. Выдержка сока полуфабриката производится в тканях, с целью удаления винного камня и самоосветление сока. Виноградный сок содержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собой ненасыщенный раствор или пересыщенный раствор. В процессе хранения сока при нарушении равновесия, выпадают кристаллы винного камня, это портит внешний вид сока и особенно не допустимо при использовании продукта для питания детей. С понижением температуры хранения растворимость винного камня падает, что ускоряет кристаллизацию.
После 2–3 мес. хранения выпадает винный камень, сок само осветляется и его подвергают дальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до 70–80°С, фильтруют на фильтр-прессе через фильтр-картон, фасуют в герметически укупориваемую тару и стерилизуют при 75–850
С с последующим водяным охлаждением.
При декантации сока остается отстой, составляющий 4–8% к массе исходного сырья. Сок из отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1–2%.
Производство виноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать и расфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичность работы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное ее потребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока.
Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока и сочетать стабилизацию тартратов в растворе или их быстрое осаждение с осветлением сока.
1. Состояние вопроса
Целью данного курсового проекта является подбор спирального теплообменника, который необходим при производстве виноградного сока.
Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.
Теплообменниками называют аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители и др.). Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.
По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменника – рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.
По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:
1) жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;
2) парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);
3) газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха и др.).
По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом. В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта. Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени. При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.
В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя.
Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150–1600
С, что соответствует давлению (5–7)∙105
Па.
В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 2000
С.
Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.
Эти аппараты имеют цилиндрические, сферические или плоские двойные стенки – водяные или паровые рубашки, через которые происходит теплообмен.
Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством.
При небольших расходах рабочих жидкостей число трубок в ходу может быть уменьшено в пределе до одной. Однотрубные теплообменники составляются из отдельных элементов типа «труба в трубе»,
каждый элемент состоит из двух труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно.
Погружной трубчатый теплообменник обычно имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью.
Такой теплообменник представляет собой трубу с прямоугольными витками, расположенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
К этим теплообменникам относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.
2. Технические описания и расчеты
2.1 Описание принципа работы технологической схемы производства виноградного сока
Виноградный сок изготавливают натуральный, неподслащенный, прозрачный. Сырье должно обеспечить содержание сухих веществ в соке разных сортов не менее 14–16%. Хороший сок дает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия и др.
Виноград моют в вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагу с поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребни перед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ, придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестве дренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкцией пресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужно обязательно удалять.
Выход сока, в зависимости от конструкции пресса, в среднем составляет (в % от массы мезги): на гидравлическом прессе – 72,3%, на шнековом – 63,6%. Шнековые прессы работают непрерывно, имеют высокую производительность, просты в обслуживании, но дают мутный сок.
Отжатый виноградный сок процеживают и центрифугируют, а затем обрабатывают с длительной выдержкой или по ускоренной схеме. Выдержка сока – полуфабриката производится в танках, цель ее – удаление винного камня и самоосветление сока. Виноградный сок содержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собой насыщенный или пересыщенный раствор. С понижением температуры хранения растворимость винного камня падает, что ускоряет его кристаллизацию. В связи с этим применяют выдержку виноградного сока-полуфабриката при температуре -1…-20
С в танках в атмосфере углекислого газа.
После 2–3 месяцев хранения выпадает винный камень, сок самоосветляется и его подвергают дальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до 50–600
С (без выдержки), фильтруют на фильтр-прессе через фильтр-картон, фасуют в герметически укупориваемую тару и стерилизуют при 75–850
С с последующим водяным охлаждением.
При декантации сока остается отстой, составляющий 4–8% к массе исходного сырья. Сок из отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1–2%.
Производство виноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать и расфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичность работы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное ее потребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока.
2.2 Описание принципа работы спирального теплообменника
В спиральных теплообменниках поверхность
, работают при давлениях до 1 МПа и температуре от -20 до +200°С.
2.3 Тепловой расчет аппарата
теплообменник виноградный сок аппарат
Исходные данные:
производительность аппарата G=600 л/ч=637,2 кг/ч;
температура: продукта на входе в аппарат t1
=150
С; на выходе из аппарата t2
=700
С; греющего пара tп
=1200
С;
скорость движения продукта: wп
=0,5 м/с;
В качестве продукта используется виноградный сок:
с=1062,86 кг/м3
;
µ=0,000785 Па∙с;
с=3395,44 Дж/кг∙К;
л=557,2∙10-3
Вт/м∙К;
Содержание сухих веществ в соке составляет 16%.
В качестве теплоносителя используется водяной пар.
1. Тепловая нагрузка аппарата:
Q=G1
c1
(t2
-t1
)=637,2×3,395 (70–15)=118981,17кДж/ч;
2. Средняя разность температур:
а) большая разность температур:
Дtб
= tп
– t1
=120–15=1050
С;
б) меньшая разность
Дtм
=tп
– t2
=120–70=500
С.
Так как Дtб
/Дtм
=2,1>2, то Дtср
=(Дtб
– Дtм
)/ln (Дtб
/ Дtм
)
Дtср
=(105 – 50)/ln (105/ 50)=74,13 0
С.
3. Эквивалентный диаметр спирального теплообменника определяем по формуле dэ
»4bd/2b=2d (сторона d не участвует в теплообмене). Приняв ширину канала равную 0,01 м, получаем значение эквивалентного диаметра: dэ
=2×0,01=0,02 м.
4. Задавшись скоростью движения раствора w1
=0,5 м/с, находим площадь сечения канала теплообменника:
f=G1
/r1
3600w1
=637/1062×3600×0,5=0,00033 м2
. Откуда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты) bе
=0,00033/0,01=0,033 м. Принимаем ширину ленты 0,025 м, тогда площадь поперечного сечения канала f=0,00035 м2
.
Действительная скорость движения сока по каналу теплообменника:
w1
=G1
/r3600f=637,2/1062×3600×0,00035=0,47 м/с.
5. Определяем динамический коэффициент вязкости (пленки конденсата) и численные значения ее теплопроводности, коэффициент теплопроводности и плотности как функции от tпл
=97,76°С:
µпл
= 291,13 ∙10-6
Па∙с;
спл
=4220,41 Дж/кг∙К;
лпл
=68,23 ∙10-2
Вт/м∙К;
спл
=959,67 кг/м3
.
6. Расход греющего пара:
G2
=Q/cпл
(tп
– t1
)=118981,17/4220,41 (120–15)=268,49 кг/ч.
7. Скорость греющего пара в канале теплообменника:
w2
=268,49/959,67×3600×0,00035=0,22 м/с.
8. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для продукта:
Re1
=w1
dэ
r/m=0,47×0,02×1062/0,000785=12717
9. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для греющего пара:
Re2
=w2
dэ
r/m=0,22×0,02×959,67/0,00029113=14504
10. Принимаем диаметр спирали теплообменника Dc
=1 м, находим критическое значение Re:
Reкр
=20000 (dэ
/Dc
)0,
32
=20000 (0,02/1)0,32
=5720
11. Вычисляем число Прандтля для продукта:
Pr1
=cm/l=(3395,44×0,000785)/0,557=4,78
12. Вычисляем число Прандтля для пристенного слоя воды:
Pr2
=cпл
mпл
/lпл
=(4220,41×0,00029113)/0,6823=1,8
13. Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенкам спирали:
Nu2
=0,023Re2
0,8
Pr2
0,33
(1+3,54dэ
/Dc
)=0,023×145040,8
×1,80,33
(1+3,54×0,02/1)= 63,8
Откуда:
a2
=Nu2
lпл
/dэ
=63,8×0,6823/0,02=2176,5 Вт/(м2
×с).
14. Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к продукту:
Nu1
=0,023Re1
0,8
Pr1
0,33
(1+3,54dэ
/Dc
)=0,023×127170,8
×4,780,33
(1+3,54×0,02/1)= 79
Откуда:
a1
=Nu1
l/dэ
=79×0,557/0,02=2200,15 Вт/(м2
×с).
15. Задавшись толщиной стенки теплообменника dст
=0,004 м и материалом стенки из стали Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности lст
=16 Вт/(м×°С), находим значение:
k=1/((1/a1
)+(1/a2
)+(d/aст
))=1/(0,00045943+0,000454514+0,00025)=859,14 Вт/(м×°С).
16. Находим поверхность теплообмена спирального теплообменника:
F=Q/kДt=(118981,17×1000)/(859,14×74,13×3600)=0,518 м2
.
17. Длина листов спирали определяется из соотношения:
L=F/2b=0,5187,4×0,035=7,4 м2
.
18. Число витков спирали, необходимое для получения эффективной длины, определяем по уравнению:
N=L/(2pt)+1/16 (d/t-1)2
-1/4 (d/t-1)=7,55
где t=d+dст=0,01+0,004=0,014 м;
d=2r+t=2×0,05+0,014=0,114 м. (r принимаем равной 0,05 м).
19. Наружный диаметр спирали теплообменника с учетом толщины листа определяется по формуле:
Dc=d+2Nt+dст=0,314+2×15,1×0,014+0,004=0,74 м.
где N=2n=2×7,55=15,1 – число витков обеих спиралей.
20. Зная наружный диаметр спирали, находим по формуле критическое значение Re:
Reкр=20000 (0,02/, 74)0,32
=6298,04
21. Определяем потерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спирального теплообменника:
- Для продукта потерю напора определяем по формуле:
ДP=0,0113/((Lrw1
2
)/(Re0
,
25
d))=184,8 кг/м2
.
- Для греющего пара потерю напора определяем по формуле:
ДP=0,0113/((Lrw2
2
)/(Re0,25
d))=35,3 кг/м2
.
2.4 Расчет и подбор нагнетательного оборудования
1) По производительности выбираем центробежный насос со следующими параметрами:
Марка Х2/25
Производительность G=4,2∙10-4
м3
/с
Н столба жидкости 25 м
Частота вращения 50 1/с
Электродвигатель
Тип АОЛ-12–2
Мощность 1,1 кВт
2) Выбор трубопровода.
Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения продукта, равную 0,5 м/с.
d=(4Q/wр)0,5
=(4∙0,00016/3,14∙2)0,5
=0,02 м.
3) Определение потерь на трение и местные сопротивления.
Находим критерий Рейнольдса:
Re=wdс/µ=(0,5∙0,02∙1062,86)/0,000785=13539,6 следовательно режим турбулентный.
Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем Д=2∙10-4
м.
е=Д/d=2∙10-4
/0,02=0,01
1/е=100
10∙1/е=1000
560∙1/е=560000
10∙1/е <Re<560∙1/е, следовательно, в трубопроводе имеет место смешанное трение.
л=0,11 (е+68/ Re)0,25
=0,11 (0,0125+68/13539,6)0,25
=0,029
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии:
овс
=о1
+ о2
=0,018+4,2=4,218, где
о1
-сопротивление по длине трубы;
о1
=л∙w2
/2g∙d=0,029×0,25/0,02∙2∙9,81=0,018
о2
-вентиль;
онагн
= 5∙о1
+ о2
+3∙о3
=5∙0,018+0,42+3∙1,1=7,59 где
о3
-отводы под углом 90о
.
Потерянный напор во всасывающей линии:
hвс
= (л/d+ овс
) ∙ w2
/2g =(0,029/0,02+4,218) 0,25/2∙9,81=0,072 м.
Потерянный напор в нагнетательной линии:
hнагн
= (л/d+ онагн
) ∙ w2
/2g =(0,029/0,02+7,59) 0,25/2∙9,81=0,108 м.
Общие потери:
hп
= hвс
+ hнагн
=0,108+0,072=0,18 м.
Запас напора на кавитацию:
h3
=0,3 (Gn2
)2/3
=0,3 (4,2∙10-4
∙502
)2/3
=0,31 м.
По таблицам давлений насыщенного водяного пара находим, что при температуре 45,870
С рt
=9,58∙ 103
Па, атмосферное давление равно р1
=105
Па.
Нвс
≤р1
/gс – (рt
/gс+w2
/2g+h3
+hвс
)= =105
/1062,86∙9,81 (9580/1042,67+0,5/2∙9,81+1,44+0,31)=19,5 м.
Список литературы
1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия, 1983. – 272 с.
2. Основные процессы и аппараты пищевых производств / Под ред. Ю.И. Липатова. – М.: Химия, 1987. – 272 с.
3. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стахеева. – М.: «Вышэйшая школа», 1972
4. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии./ Под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
5. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стабникова. – М.: «Вышэйшая школа», 1972