Материал: Теплообменная установка для нагревания молока

Теплообменная установка для нагревания молока

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Российский государственный аграрный университет - МСХА

имени К.А. Тимирязева

Технологический факультет

Кафедра процессов и аппаратов перерабатывающих производств

Курсовая работа

Теплообменная установка для нагревания молока

Исполнитель:

студентка группы205

техн. факультета

Гущина Екатерина Сергеевна

Преподаватель Стефановский В.М.

Москва 2012 г.

Содержание

Введение

. Теоретические и методические основы решения задачи

.1 Теоретические основы решения задачи

.2 Методические основы решения задачи

. Основная часть

.1 Тепловой расчет

.2 Конструктивный расчет

.3 Расчет тепловой изоляции

.4 Гидравлический расчет

. Подбор насоса

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Теплотехника - наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин и аппаратов. Теплопередача - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого - либо материала. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики (однако возможно передать тепло от холодного тела с помощью вспомогательных устройств, таких как холодильник). Теплопередачу невозможно остановить, ее можно только замедлить. Существует три простых вида передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них: теплоотдача - конвективный теплообмен между потока жидкости или газа и поверхностью твердого тела; теплопередача - теплообмен от горячей жидкости к холодному через разделяющую их стенку; конвективно-лучистый перенос тепла - совместный перенос тепла излучение и конвекцией.

В данной курсовой работе необходимо подобрать насос для поднятия молока на определенную высоту. Молоко - жидкость, выработанное секрецией молочной железы выращенных на ферме животных. Молоко содержит много питательных минеральных веществ необходимых организму, таких как кальций <#"866560.files/image001.gif">

Где M1 и M2 - массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителя, кг/сек;и V2 - объемный расход соответственно горячего и холодного теплоносителя, м³/сек

????1 и ????2 - плотность соответственно горячего и холодного теплоносителя, кг/м³;

С1 и С2 - массовая теплоемкость при постоянном давлении соответственно горячего и холодного теплоносителя, Дж/(кг град);н и t1k - начальная и конечная температура горячего теплоносителя, градCн и t2k - начальная и конечная температура холодного теплоносителя, градС

Qпот - потери теплоты в окружающую среду, Вт.

Нагревание с изменением агрегатного состояния теплоносителя

При нагревании пищевой среды конденсирующимся паром уравнение теплового баланса имеет вид:

D(iп - сконд tконд)=M2C2 (t2k-t2H)+Qпот, Вт (4)

где D - расход греющего пара, подаваемого в аппарат за единицу времени, кг/сек;п - энтальпия пара, поступающего в аппарат, Дж/кг;

сконд - теплоемкость конденсата, выходящего из аппарата, Дж/(кг С);конд - температура конденсата, выходящего из аппарата, градС

Стремясь максимально использовать поверхность теплообмена, этапы охлаждения в теплообменнике перегретого пара и образовавшегося конденсата исключают, когда уравнение теплового баланса(4) принимает вид:

=M2C2 (t2k-t2H)+Qпот, Вт (5)

где r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

Расчет среднего температурного напора

Характер изменения температур теплоносителей в процессе прохождения через аппарат (рис.1) зависит от особенностей процессов теплоотдачи, вида, расхода теплоносителей и направления их движения (схемы: прямоток, противоток, перекрестный ток или смешанный ток).

Для определения среднего температурного напора ∆tср между горячим и холодным теплоносителями необходимо предварительно, в соответствии с выбранным направлением движения теплоносителей, построить диаграмму изменения температур и рассчитать ∆tср по следующим формулам:

Расчет общего коэффициента теплопередачи

Согласно теории теплообмена коэффициент теплопередачи для плоской стенки рассчитывают по формуле

где α2 - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к омываемой поверхности стенки, Вт/(м²град);

δ i - толщина стенки (слоя накипи, слоя ржавчины или загрязнений), м;

λ i - коэффициент теплопроводности материала (стенки трубы, слоя накипи, слоя ржавчины или загрязнений), Вт/(м град);и d2 - внутренний и внешний диаметры трубы соответственно, м;

Связь между k и kL определяется соотношением:

=

Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя

При развитом турбулентном режиме течения теплоносителя в прямых трубах (Re>10000) уравнение подобия имеет вид:

где S - площадь живого сечения потока, м²;

П- смоченный периметр, м

Для труб круглого сечения dэкв = dвнутр

Для канала кольцевого сечения эквивалентный диаметр равен

экв = (Dвнутр - dнаружн),

где Dвнутр - внутренний диаметр "большой" трубы,наружн - наружный диаметр "малой" трубы.

При вычислении критериев Re, Pr и Nu значения физических констант жидкости выбирают из таблиц при так называемой определяющей температуре. В данном случае в качестве определяющей температуры принята средняя арифметическая температура жидкости(газа).

При движении потока вдоль плоской стенки для расчета коэффициента теплоотдачи при Re >10000 рекомендуется следующее приближенное уравнение:

В уравнении физических констант берутся при начальной температуре теплоносителя. В качестве характерного размера l принимается длина теплоотдающей стенки в направлении движения потока.

Если режим движения теплоносителя внутри прямой трубы ламинарный (Re< 2320), то для расчета коэффициента теплоотдачи используется следующее уравнение подобия:

Nu = 0,15 Re0,33 Gr0,3 Pr0,43()0,25

Nu = 0,76 Re0,5 Pr0,43()0,25

При переходном режиме(2320<Re<10000) расчет коэффициента теплоотдачи рекомендуется производить по графику (рис. 2).

Расчет тепловой поверхности теплопередачи

Расчет площади поверхности теплопередачи производится в соответствии с уравнением:

Поверхность теплообмена (в м²) рассчитана без учета тепла (или холода) в окружающую среду и, следовательно, будет меньше поверхности, которая обеспечит реальные условия работы аппарата.

Для расчета реальной поверхности необходимо дополнительно знать также Qпот - тепловой поток, теряемый аппаратом в окружающую среду. Это требует знания площади внешней поверхности аппарата и условий теплообмена между корпусом и окружающей средой.

Конструктивный расчет

Конструктивный расчет сводится к определению основных размеров аппарата, он имеет особенности для каждого типа теплообменников.

Для определения основных габаритных размеров аппарата необходимо в первую очередь рассчитать сечения для прохода теплоносителей, пользуясь уравнением расхода

=S u (21)

где V - объемный расход теплоносителя, м3/сек;- площадь поперечного сечения потока теплоносителя, м2;- средняя скорость движения теплоносителя, м/сек.

Уравнение(21) можно выразить через массовый расход теплоносителя:

= S u????

где M - массовый расход теплоносителя, кг/сек;

???? - плотность теплоносителя, кг/м³;???? - произведение этих величин называют массовая скорость теплоносителя, кг/(м² сек).

Выбор скорости теплоносителя

Скорость движения жидких теплоносителей в аппаратах принимают:

В трубах- 1÷2 м/сек, в межтрубном пространстве - 0,2 ÷ 0,6 м/сек. Если в продукте содержится твердая примесь, то скорость следует принимать не менее 1,5 м/сек, чтоб предотвратить осаждение. При выборе скорости необходимо учитывать вязкость теплоносителя.

Скорость движения газа в трубах принимают: 15 ÷ 20 м/сек.

Скорость движения пара внутри труб принимают - до 50 м/сек

Определения основных размеров аппарата

В соответствии с принятой скоростью теплоносителей и заменой в уравнении площади поперечного сечения для прохода теплоносителя, выражений, например, через диаметр d трубы.

 (23)

Получим формулу для расчета диаметра патрубков для входа и выхода теплоносителей (в м)

 (24)

Где ???? - плотность теплоносителя на входе (для входного патрубка) или на выходе из аппарата, определяется по таблицам в зависимости от начальной или конечной температуры теплоносителя, кг/м³.- скорость теплоносителя на входе или на выходе из аппарата; скорость на входе принимается в пределах рекомендованных значений скоростей теплоносителей в трубах; скорость на выходе меньше скорости на входе за счет гидравлических сопротивлений аппарата.

Длина патрубков определяется:

 (25)

Кожухотрубные теплообменные аппараты

Конструктивный расчет кожухотребных аппаратов сводится к определению числа труб, размещению их в трубны решетках и определению диаметра кожуха аппарата.

Учитывая принятый ранее диаметр труб, определяем число труб n при одном ходе теплоносителя в аппарате:

где M - массовый расход теплоносителя, кг/сек.

Известная из теплового расчета поверхность нагрева аппарата может быть выражена, как

м

откуда длина одной трубки

где dср - средний расчетный диаметр труб, определяется в зависимости от соотношения α1 и α2:

если α1 > α2 dср = dнаруж

если α1 ≈ α2 dср =0,5(dнаруж +dвнутр)

если α1 < α2 dср = dвнутр

Рекомендуется делать трубы длиной Lдопуск не более 4 м. При поверхности теплообмена более 300 м² длину выбирают до 6 м.

Если по расчету получается L> Lдопуск, то аппарат делается многоходовым и определяется число ходов в трубном пространстве:

а общее число труб (длиной Lдопуск) в аппарате

общ = n m

После определения числа труб и количества ходов, их размещают на трубных решетках.

Трубы в трубных решетках чаще размещают по вершинам правильных шестиугольников (рис. 3).

Рис. 3

общ = 3a(a - 1) +1;= 2a - 1;

nобщ =  (b2 - 1) +1,

где nобщ - общее число труб в решетке;- число труб по диагонали шестиугольника- число труб в стороне шестиугольника

Нормалями НИИХИММАШАа рекомендуется следующее соответствие шага (расстояние между осями двух соседних труб) t и диаметрами труб (таблица 6)

Соответствие шага и диаметра труб

Диаметр окружности D', на которой размещают крайние трубки, определяется по уравнению:

' = t (b - 1), м

Внутренний диаметр корпуса одноходового теплообменника принимается

≈ D' + (3÷4) dнар, м

При расчете кожухотрубных теплообменных аппаратов может получиться, что для обеспечения условия задания необходим теплообменник с небольшим числом очень длинных трубок. В этом случае целесообразно проектировать многоходовые аппараты.

После завершения теплового и конструктивного расчетов следует обосновать необходимость применения тепловой изоляции и решить вопрос о том, какую часть внешней поверхности корпуса теплообменника надо покрывать слоем изоляционного материала.

Условия, при которых нанесение тепловой изоляции не требуется

Во-первых, необходимо учитывать требования техники безопасности:

Наружная стенка аппарата не должна иметь температуру выше 35÷40°С, а температура в цехе не должна намного отличаться от 20°С для обеспечения нормальных условий работы обслуживающего персонала.

Во-вторых, надо сопоставить полезный тепловой поток Q c Qпот - тепловым потоком, теряемым в окружающую среду неизолированный внешней поверхностью аппарата. Расчет Qпот производят по уравнению теплоотдачи:

Qпот = α3Fk (tст - tвозд), Вт

где α3 - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху помещения, Вт/(м²град).- площадь поверхности внешней трубы (диаметром Dнар), м²;ст - температура наружной поверхности внешней трубы, °С(35°С);возд - средняя температура воздуха в помещении цеха, °С(20°С).

Коэффициент теплоотдачи α3 рассчитывают по уравнению подобия для теплоотдачи при свободном движении жидкости (воздуха)

= c( Gr Pr)n (44)

Значения с и n в уравнении(44) для отдельных участков различны и являются функцией аргумента ( Gr Pr) . Их значения приведены в таблице 7.

Значения с и n в формуле (44)

При вычислении чисел Nu = и Gr=  β ∆t за характерный размер L, входящий в качестве линейного размера в критерии подобия, принят для труб - их диаметр.

В качестве определяющей температуры3 принята средняя температура пограничного слоя

tm = ,

где tсм - температура наружной поверхности аппарата (внешней трубы); tвозд - температура воздуха вне зоны, охваченной процессом.

В случае, если требования техники безопасности выполняются и потери теплоты Qпот незначительны (менее 5% от сообщаемой продукту теплоты Q),то изоляцию можно не устанавливать. Более точный ответ о целесообразности изоляции может дать сравнительный экономический расчет стоимости тепла и расходов на изоляцию.