Материал: Проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника

Проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника

Вступ

Процеси харчової технології відбуваються у заданому напрямі лише при певній температурі, яка досягається шляхом підведення або відведення теплової енергії.

У технологічних процесах вимагається або якомога краща теплопередача, або, навпаки, якомога краще запобігання теплообміну. До першого випадку відноситься передача тепла у нагрівальних та холодильних пристроях, а до другого - захист від втрат тепла або ізоляція з метою уникнення термічного впливу.

Перехід тепла з однієї частини простору у другу може відбуватися дією теплопровідності, випромінюванням та конвекцією.

У теплообмінному апараті один теплоносій (тепловіддавальний) передає теплоту іншому теплоносію (теплосприймаючому). За принципом дії теплообмінники діляться на рекуперативні (теплота передається від одного теплоносія до другого крізь стінку, що їх розділяє), регенеративні (одна й та ж теплообмінна поверхня, яка акумулює тепло, обмивається поперемінно гарячим та холодним теплоносіями) та змішувальні (передача теплоти відбувається при безпосередній взаємодії теплоносіїв) - пароконтактні підігрівачі, конденсатори змішування, скрубери.

Охолодження рідин найчастіше проводять у поверхневих холодильниках, де теплообмін між рідиною, яку охолоджують, та середою, що охолоджує, протікає не при їх безпосередньому контакті, а шляхом передачі тепла крізь металеві стінки. У якості охолоджуючого агенту частіше за все використовують воду.

Різноманітність конструкцій теплообмінних апаратів пояснюється різним призначенням апаратів та умовами проведення процесів у різних галузях харчової промисловості.

Вибір конструкції теплообмінного апарату повинен ґрунтуватися на наступних критеріях:

·        відповідність технологічному процесу;

·        задана продуктивність;

·        висока ефективність;

·        надійність у роботі;

·        економічність;

·        низька матеріалоємність;

·        раціональна технологія виготовлення;

·        корозійна стійкість у робочих середовищах.

Зазвичай жодна з конструкцій теплообмінника не задовольняє повністю усім переліченим критеріям. Тому вибір обмежують конструкцією з якостями, наближеними до найбільш важливих вихідних вимог.

1. Опис теплообмінника, що проектується

Теплообмінник (лист 1) призначено для нагріву та охолодження до потрібної температури рідких продуктів харчового виробництва.

Теплообмінник складається зі сталевого циліндричного корпусу зварної конструкції 1, до якого зверху та знизу приварено фланці 2 та 3. До фланців 2 та 3 за допомогою відкидних болтів 4 кріпляться верхня кришка 7 та нижня кришки 8, які з’єднано з корпусом за допомогою шарнірів. В середині корпусу вварено трубні решітки: верхня 9 та нижня 10. У решітках закріплено теплообмінні трубки 11.

Простори (камери) між кришками та трубними решітками у верхній та нижній частині корпуса теплообмінника розділено перегородками на секції. Перегородки верхньої камери зміщені відносно перегородок нижньої камери таким чином, що сік послідовно проходить по всім секціям теплообмінника.

Міжтрубний простір розділено вертикальними перегородками 12 на 4 ходи. В кожному ході встановлені горизонтальні поперечні перегородки 13, які підтримують трубки та повертають потік охолоджуючої води в напрямі, перпендикулярному до теплообмінних трубок 11.

Кришки теплообмінника з’єднані між собою важільною системою 15, яка забезпечує їх легке та синхронне відкривання. Важільна система має пристрій для регулювання довжини тяги 16. Щоб верхня кришки не перекидалась у бік, протилежний закриванню, до верхніх кронштейнів шарнірного механізму приварено упор 14.

Основною деталлю шарнірного механізму є вал, на одному кінці якого є права, а на другому - ліва трапецеїдальна різьба. Гайка на нижньому кінці валу закріплена в кронштейні, привареному до корпусу теплообмінника 1, а гайка - на верхньому кінці валу закріплена в горизонтальній траверсі. Кінці траверси вставлені в отвори важелів верхньої кришки та зашплінтовані, при цьому кришка може повертатися навколо горизонтальної осі.

В середній частині валу жорстко закріплений штурвал, за допомогою якого можна обертати вал. При обертанні валу за годинниковою стрілкою його нижній кінець вгвинчується в нерухому гайку, а верхня гайка одночасно нагвинчується на верхній кінець валу, спускаючись донизу разом з траверсою та важелями верхньої кришки. При цьому верхня кришка 5 і зв’язана з нею тягою нижня кришка 6 відкриваються, а нижня зрівноважує своєю масою верхню, що забезпечує легке їх відкривання. При обертанні штурвалу в зворотному напрямку кришки закриваються, причому роль противаги в цьому випадку виконує верхня кришка 5. Верхня і нижня кришки теплообмінника ущільнюються паронітовими прокладками перерізу.

На верхній кришці передбачені повітряні крани 17, а в верхній частині перегородок верхньої камери - отвори для проходу повітря із секції в секцію при наповненні теплообмінника продуктом і його спуску. Продукт спускають перед відкриванням кришок через крани 17, розташовані на нижній кришці (по одному на кожну секцію). З кранів продукт зливають в загальну воронку.

Для підводу і відводу теплоносіїв теплообмінник оснащений патрубками, штуцерами для манометрів та штуцерами для термометрів.

Теплообмінник встановлюється у вертикальному положенні на чотирьох лапах, приварених до корпусу.

Теплообмінники комплектуються засобами автоматичного регулювання температури сусла, що підтримується в заданих межах шляхом зміни подачі охолоджуючої води в теплообмінник за допомогою регулювального клапана.

При монтажі теплообмінники встановлюють на другому поверсі виробничої будівлі, причому опорні лапи теплообмінників приварюються до несучих балок перекриття.

.2 Місце та призначення теплообмінника у технологічній схемі виробництва пива

Технологічна схема виробництво пива з солоду, несолоджених матеріалів, хмілю і води з застосуванням ряду допоміжних матеріалів (лист 2) складається з наступних операцій:

·    подрібнення солоду і несолоджених матеріалів;

·        зберігання та очистка;

·        приготування сусла;

·        підготування чистої культури дріжджів;

·        головне бродіння;

·        доброджування (дозрівання) пива;

·        фільтрування та освітлення пива;

·        фасування і розлив пива.

Очищений солод подрібнюється у вальцевій дробарці 1 з метою отримання максимальної кількості дрібної однорідної крупки та збереження шелехи. Подрібнений солод зважують вагами 2 та зсипають в бункер 3. Відлежаний подрібнений солод проходить магнітну очистку в магнітному вловлювачі 4 та подається в заторний апарат 5, де змішується з теплою водою (біля 60 С) і перемішується. По закінченні перемішування (затирання) частину заторної маси (біля 40%) перекачують в інший заторний апарат 6, де нагрівають до температури оцукрювання (біля 70 С), а по закінченні оцукрювання - до кипіння. При кипінні крупні частки солоду розварюються, після чого першу відварку повертають в апарат 5. При змішуванні киплячої частини затору з затором, що залишився в апараті 5, температура всієї маси досягає 70 С. Затор лишають у спокої для оцукрювання.

По закінченні оцукрювання частину затору знову перекачують в апарат 6 (друга відварка) і нагрівають до кипіння для розварювання крупки. Другу відварку повертають в апарат 5, де після змішування обох частин затору його температура підвищується до 75…80 С. Після цього весь затор перекачують у фільтраційний апарат 7. Після фільтрації прозоре сусло стікає в сусловарочний апарат 8.

В апараті 8 сусло кипить з хмелем. При кипінні сусла випарюється деяка кількість води, відбуваються часткова денатурація білків сусла та його стерилізація. Гаряче охмелене сусло спускають у хмелевідділювач 9, де виварені хмелеві пелюстки затримуються, а сусло перекачується в збірник гарячого сусла 10.

Гаряче сусло зі збірника 10 подається у відцентровий тарільчастий сепаратор 11, в якому воно очищується від частинок коагульованих білків. З сепаратора 11 сусло нагнітається в кожухотрубний теплообмінник 12, де охолоджується до 15 С. Охолоджене сусло зливають в бродильний чан 13 разом з дріжджами з чану 14. Бродіння триває 6…8 діб. По закінченні головного бродіння молоде пиво відділяють від дріжджів та перекачують в танк 15 для доброджування протягом 11…90 діб. По закінченні доброджування пиво під тиском діоксиду вуглецю нагнітається у сепаратор-освітлювач 16 і фільтр 17, де воно звільняється від дріжджів, інших мікроорганізмів та дрібнодисперсних частинок. Освітлене пиво охолоджується розсолом в теплообміннику 18, насичується (за необхідності) діоксидом вуглецю в карбонізаторі 19 і зливається в танк 20. Відфільтроване пиво з танку 20 під тиском подається у відділення розливу.

Теплообмінник, що проектується, займає на розглянутій схемі поз 12. Його завдання - швидке охолодження пивного сусла від 61 С до 15 С перед початком бродіння. Процес має бути максимально наближеним до протитечійного з метою зменшення кількості охолоджуючої води. Відпрацьована вода має температуру 45 ° С, тому її може бути застосовано як на господарсько - побутові, так і на виробничі потреби.

трубка тепловий ізоляція апарат

2. Розрахунки

.1 Матеріальний баланс

Теплообмінник, що проектується, призначено для охолодження охмеленого пивного сусла з 60 С до 15 С. 60 С - температура сусла після сепаратора, 15 С - температура бродіння для сортів пива верхового бродіння.

Для охолодження сусла використовується артезіанська вода з початковою температурою 6 С. В процесі охолодження сусла вода нагрівається до 45 С.

Проектна продуктивність теплообмінника - 54 т/год, що дорівнює 15 кг/с.

Теплофізичні властивості сусла вказано для значень температур 50 та 80 С. Для проведення розрахунків теплообмінника складаємо по двом відомим значення рівняння для лінійної екстраполяції табл. 1). Теплофізичні властивості води приймаємо по [3, с. 54]

Таблиця 1 Теплофізичні властивості охмеленого пивного сусла

Витрату води з урахуванням теплових втрат визначаємо з рівняння теплового балансу [4, с. 44]

де G2- витрата холодної води, кг/с;- витрата гарячого сусла, кг/с;- теплоємність води, кДж/ кг×К);- теплоємність сусла, кДж/ кг×К);п, t1к - початкова та кінцева температура сусла, відповідно, °С;п, t2к - початкова та кінцева температура води, відповідно, °С;

х - коефіцієнт, який враховує теплові втрати, приймаємо х=1,03.

Середня температура процесу для сусла 61+15)/2 = 38 °С, для води 6+45)/2 = 26 ° С. Відповідно c2 = 4,1850 кДж/ кг×К); c1 = 3,7616 кДж/ кг×К).

Визначаємо витрату води:

При охолодженні пивного сусла відпрацьована вода використовується для гарячого водопостачання.

2.2 Тепловий розрахунок апарату

.2.1 Визначення середньої різниці температур

З вихідних параметрів рис. 1) бачимо, що схемою теплообміну є протитечія.

                                                                          Сусло 61 С

                                                                             Вода 45 С

                            Сусло 15 С

                          Вода 6 С

Рис. 1. Схема процесу теплообміну

Найбільш повно теплоносії використовуються при протитечії. Середнє значення температурного напору при протитечії більше, ніж при прямотечії, за рахунок чого теплообмінник є більш компактним.

Розраховуємо різницю температур між гарячим та холодним теплоносієм та продуктом на кінцях теплообмінника:

а) більша різниця: DТб = 61 - 45 = 16 К;

б) менша різниця: DТм = 15 - 6 = 9 К.

Оскільки DТб/DТм < 2, використовуємо середньоарифметичне значення

де: DТср - середня різниця температур, К;

DТб - більша різниця температур, К;

DТб - менша різниця температур, К.

.2.2 Визначення параметрів теплоносіїв

Визначаємо середню температуру сусла

де t1сер - середня температура сусла, ° С.

Визначаємо середню температуру води

де t2сер - середня температура води, ° С.

Під час першого кроку температури стінок визначаємо приблизно як півсуму температур теплоносіїв:

де t1ст - температура стінки з боку сусла, ° С;ст - температура стінки з боку води, ° С.

.2.3 Визначення параметрів процесу теплоперенесення.

Виконуємо приблизний числовий розрахунок, виходячи з наступних умов:

-        трубки мельхіорові [5] Æ20´3 мм, тобто dвн=0,014 м;

-        швидкість руху сусла у трубках 2,15 м/с;

-        крок розміщення трубок у решітці, 26 мм;

-        швидкість течії води у найвужчому перерізі ряду трубок 0,2 м/с.

Визначення коефіцієнтів тепловіддачі від води до зовнішньої поверхні трубок α2 та від сусла до внутрішньої поверхні трубок α1 базується на емпіричних критеріальних рівняннях, по яких визначається число Нуссельта.

де Nu - число Нуссельта;

λ- коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт/ м×К);- визначальний геометричний розмір, м.

Визначаємо число Рейнольдса, яке характеризує гідродинамічний режим руху теплоносія.

де g - кінематична в’язкість, м/с.

Для течії сусла у трубках при температурі 38 ° С:

Для течії води між трубками при температурі 25,5 ° С:

Визначаємо числа Прандтля, які характеризують фізичні властивості теплоносіїв [6, с. 208]