Пластинчатый теплообменник для охлаждения купажного сиропа перед сатурацией

Министерство образования и науки Российской Федерации ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра органической химии и пищевой технологии им. профессора В. В. Тутуриной Допускаю к защите Руководитель Е. А. Привалова

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

Пластинчатый теплообменник для охлаждения купажного сиропа

перед сатурацией

Выполнил студент группы ТППз-10−1

И.М. Горяшин Нормоконтроль — Е. А Привалова Иркутск 2016 г.

Содержание Введение

1. Технологический расчет

1.1 Расчет тепловой нагрузки

1.2 Расчет теплового баланса

1.3 Средняя разность температур

1.4 Расчет ориентировочной поверхности теплопередачи и выбор теплообменного аппарата

1.5 Уточненный расчет выбранного теплообменного аппарата

1.5.1 Расчет коэффициента теплоотдачи горячего теплоносителя

1.5.2 Расчет коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя

1.5.3 Расчет коэффициента теплопередачи и необходимой поверхности теплопередачи

1.5.4 Уточнения коэффициентов теплоотдачи

1.5.5 Уточненный расчет

2. Гидравлический расчет Заключение Список использованных источников

Введение

Теплообменник пластинчатый — устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодной (нагреваемой) среде через стальные, медные, графитовые, титановые гофрированные пластины, которые стянуты в пакет. Горячие и холодные слои перемещаются друг с другом.

Составляющие теплообменника: неподвижная плита с присоединительными патрубками; задняя прижимная плита; теплообменные пластины с уплотнительными прокладками; верхняя направляющая; нижняя направляющая; задняя стойка; комплект резьбовых шпилек.

Такая конструкция теплообменника обеспечивает эффективную компоновку теплообменной поверхности и, соответственно, малые габариты самого аппарата.

Все пластины в пакете одинаковы, только развернуты одна за другой на 180°, поэтому при стягивании пакета пластин образуются каналы, по которым и протекают жидкости, участвующие в теплообмене. Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов.

Основным элементом теплообменника являются теплопередающие пластины, изготовленные из коррозионно-стойких сплавов толщиной 0,4 — 1,0 мм, методом холодной штамповки.

В рабочем положении пластины плотно прижаты друг к другу и образуют щелевые каналы. На лицевой стороне каждой пластины в специальные канавки установлена резиновая контурная прокладка, обеспечивающая герметичность каналов. Два из четырех отверстий в пластине обеспечивают подвод и отвод греющей или нагреваемой среды к каналу. Два других отверстия, дополнительно изолированы малыми контурами прокладки предотвращающими смешение греющей (охлаждающей) и нагреваемой (охлаждаемой) сред. Для предупреждения смешивания сред в случае прорыва одного из малых контуров прокладки предусмотрены дренажные пазы.

Пространственное извилистое течение жидкости в каналах способствует турбулизации потоков, а противоток между нагреваемой и греющей средой способствует увеличению температурного напора и, как следствие, интенсификации теплообмена при сравнительно малых гидравлических сопротивлениях.

В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке). В местах их возможного перетекания находится либо стальная пластина, либо двойное резиновое уплотнение, что практически исключает смешение жидкостей.

Вид гофрирования пластин и их количество, устанавливаемое в раму, зависят от эксплуатационных требований к пластинчатому теплообменнику.

Цель работы: рассчитать и подобрать нормализованный пластинчатый теплообменник для охлаждения купажного сиропа перед сатурацией.

пластинчатый теплообменник охлаждение

1. Технологический расчет Перед сатурацией купажный сироп должен быть охлажден до температуры 4 0С, начальную температуру купажного сиропа примем равной 25 0С. Концентрация купажного сиропа составляет 55%.

1.1 Расчет тепловой нагрузки Тепловая нагрузка необходима для расчета поверхности теплообмена. Для ее определения вычислим физико — химические свойства купажного сиропа.

Средняя температура горячего теплоносителя (купажного сиропа) определяется по формуле [2]

где tН1 и tК1 — начальная и конечная температура купажного сиропа соответственно, 0С.

При этой температуре вычислим теплоемкость купажного сиропа по формуле [3]

кДж/ (кг•К).

где n — концентрация купажного сиропа, %,

tср1 — средняя температура купажного сиропа в процессе, 0С.

Коэффициент теплопроводности определим по формуле [4]

Вт/(м•К).

где, А — коэффициент, зависящий от степени ассоциации жидкости, для воды, А = 3,58· 10−8,

М — мольная масса жидкости, кг/кмоль.

кг/кмоль, где Мкс и Мв — мольная масса купажного сиропа и воды соответственно, кг/кмоль.

Плотность купажного сиропа [5]

с1 = 1260 кг/м3.

Динамическая вязкость [5]

м1 = 0,2 807Па•с.

Число Прандтля купажного сиропа вычисляется по формуле [2]

.

Расчет тепловой нагрузки аппарата производится по формуле [2]

Вт.

где G1 — расход горячего теплоносителя, кг/с.

1.2 Расчет теплового баланса Среднюю температуру холодного теплоносителя (воды) определим по формуле

.

При этой температуре вода (холодный теплоноситель) имеет следующие физико — химические показатели [4]:

С2 = 4190 Дж/ (кг•К),

с2= 998 кг/м3,

м2 =0,151 Па•с, л2= 0,558 Вт/(м•К),

.

Уравнение общего теплового баланса имеет вид [2]

.

Отсюда найдем расход воды

кг/с.

1.3 Средняя разность температур В пластинчатом теплообменнике схема взаимного движения теплоносителей — противоток.

купажный сироп 25 0С > 4 0С вода 10 0С < 2 0С В аппарате с противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется по формуле [2]

где и — большая и меньшая разности температур на концах поверхности теплообмена.

.

Тогда средняя разность температур

.

1.4 Расчет ориентировочной поверхности теплопередачи и выбор теплообменного аппарата Ориентировочный коэффициент теплопередачи для купажного сиропа примем .

Зная тепловую нагрузку аппарата, рассчитав среднюю разность температур и выбрав ориентировочный коэффициент теплопередачи, можно определить ориентировочную поверхность теплообмена [2]:

.

По ГОСТ 15 518–83, при такой площади теплообмена выбираем теплообменный аппарат со следующими параметрами:

поверхность теплообмена одной пластины — f = 0,6 м²;

поверхность теплообмена — F = 40 м²;

число пластин — N = 70;

масса аппарата — М = 1300 кг;

В соответствии с пластина с f = 0,6 м², имеет следующие габаритные размеры:

длина — 1,375 м;

ширина — 0,6 м;

толщина — 0,001 м;

эквивалентный диаметр канала — dэ = 0,0083 м;

поперечное сечение канала — S = 0,245 м²;

приведенная длина канала — L = 1,01 м;

масса пластины — m = 5,8 кг;

диаметр условного прохода штуцеров — dш = 0,2 м.

1.5 Уточненный расчет выбранного теплообменного аппарата

1.5.1 Расчет коэффициента теплоотдачи купажного сиропа Пусть компоновка пластин самая простая: Сх: 35/35, т. е. по 1 пакету (ходу) для обоих потоков. Скорость жидкости и число Re в 35 каналах площадью поперечного сечения канала 0,245 м² и эквивалентным диаметром канала 0,0083 м равны:

;

.

Так как Re1?50, режим движения купажного сиропа — турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи купажного сиропа к воде рассчитывается по формуле [2]

.

1.5.2 Расчет коэффициента теплоотдачи воды Скорость жидкости и число Re определяются по формулам и

;

.

Так как Re2?50, режим движения воды — турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи воды к купажному сиропу

.

1.5.3 Расчет коэффициента теплопередачи и необходимой поверхности теплопередачи Теплопроводность нержавеющей стали по таблице [4], при толщине пластины 1,0 мм, примем равной лСТ=17,5 Вт/(м2•К). Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны жидкости составит:

.

Коэффициент теплопередачи [2]

Найдем требуемую поверхность теплопередачи по формуле

м2.

Номинальная поверхность F=40 м2 недостаточна, поэтому необходимо применить более сложную компоновку пластин.

Рассмотрим компоновку пластин Сх: (17+18) / (17+18).

Расчет произведем по формулам ;

;

;

.

;

;

.

Коэффициент теплопередачи

.

Необходимая поверхность теплопередачи

м2.

Теплообменник с номинальной поверхностью F = 40 м² подходит с запасом:

1.5.4 Уточнения коэффициентов теплоотдачи Уточняем коэффициент теплоотдачи для купажного сиропа.

Температуры стенок:

єС;

єС.

При температуре t = 11,3 єС купажный сироп будет иметь следующие физико-химические показатели:

кДж/ (кг•К).

с1 = 1260 кг/м3.

м1 = 0,42 775 Па•с.

Вт/(м•К).

.

Коэффициент теплоотдачи купажного сиропа Уточняем коэффициент теплоотдачи для воды.

При температуре 7,3 єС холодный теплоноситель (вода) имеет следующие физико-химические показатели [2]:

С2 = 4190 Дж/(кг•К);

Па•с;

Вт/(м•К);

.

Коэффициент теплоотдачи

.

Коэффициент теплопередачи

.

1.5.5 Уточненный расчет Уточняем коэффициент теплоотдачи для купажного сиропа.

Найдем температуру стенок:

єС;

єС.

Температуры стенок при втором приближении близки к температурам стенок при первом приближении, поэтому

Необходимая поверхность теплопередачи

.

Запас поверхности составит:

Теплообменник номинальной поверхностью F = 40 мІ подходит с запасом ?=39,2%.

2. Гидравлический расчет Гидравлическое сопротивление рассчитывается по формуле [2]

где х — число пакетов для данного теплоносителя;

коэффициент трения для турбулентного движения, где а2 = 15 при типе пластин f = 0,6;

L — приведенная длина каналов, м;

Коэффициент трения о = 15 / 172,2= 4,14.

Определим скорость в штуцерах на входе и выходе.

.

Так как скорость сиропа в штуцерах меньше 2,5 м/с, их гидравлическое сопротивление можно не учитывать.

Для двухпакетной компоновки пластин х=2.

Гидравлическое сопротивление для купажного сиропа

Па.

щ=.

Так как скорость воды в штуцерах меньше 2,5 м/с, их гидравлическое сопротивление можно не учитывать.

Гидравлическое сопротивление для воды

Па.

Заключение

В курсовом проекте был рассчитан и подобран нормализованный пластинчатый теплообменник для охлаждения купажного сиропа перед сатурацией с поверхностью теплообмена 40 м². Поверхность теплообмена одной пластины составляет 0,6 м². Запас теплообменника составляет 39,2%.

Список использованных источников

1. Википедия — свободная энциклопедия. — Режим доступа: http:// www.wikipedia.org, свободный.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под редакцией Ю. И. Дытнерского; 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991 — 496 с.

3. Гинзбург, А. С. Тепло — физические характеристики пищевых продуктов. Справочник / А. С. Гинзбург, М. А. Громов, Г. И. Красовская. — М.: «Пищевая промышленность», 1980. — 288 с.

4. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носов. — М.: ООО ТИД «Альянс», 2006. — 576 с.

5. Привалова, Е. А. Технологические расчеты в бродильных производствах: Учеб. пособие / Е. А. Привалова. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007.-72 с.