Материал: Теплообменная установка для нагревания молока

В остальных случаях решается вопрос о толщине слоя изоляции, которая обеспечит минимальные потери и температуру на внешней поверхности не выше 35°С и будет удобна при выполнении теплоизоляционных работ.

Потери теплоты аппаратом после нанесения теплоизоляции

Толщина слоя изоляции δиз , которая обеспечит минимальные потери теплоты и температуру на внешней поверхности не выше 35°С, определяется из выражения для коэффициента теплопередачи от горячей среды через двухслойную стенку ( наружная труба + слой изоляции, рис.6) к воздуху цеха

Где

α3 - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенкам канала кольцевого сечения, Вт/(м² °С);

δст - толщина стенки наружной трубы ( или корпуса) аппарата, м;

λст - коэффициент теплопроводности стенки наружной труб, Вт/(м°С);

λиз - коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/(м°С);- коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к наружному воздуху, Вт/(м°С);

Теплоотдача на разных этапах теплопереноса (рис. 6)

Решение находят методом последовательных приближений. Вначале (по таблице П-5 приложения) выбирают материал теплоизоляции и его коэффициент теплопроводности λиз. В качестве первого приближения задаются толщиной слоя изоляции, например, δиз = 0,20 м и рассчитывают наружный диаметр заизолированной трубы Dиз =Dнар +2 δиз.

Затем по уравнению (44) вычисляют коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху α3. Если температуры поверхности изоляции воздуха принять соответственно 35⁰С и 20⁰С, то можно воспользоваться вычисленным ранее значением α3.

Из системы уравнений

 (47)

Имеем  (48)

где ∆t'ср - средний температурный напор между температурой теплоносителя внутри кольцевого зазора (t1н + t1к) /2 и температурой воздуха в цехе tвозд, °С;

∆t'ср =  - tвозд

н и tк - соответственно температуры теплоносителя в начале и в конце кольцевого зазора, °С.

После подстановки значений α1, α3, λст, λиз, k в уравнении (46) рассчитывают величину δиз и сравнивают ее с первоначально принятой толщиной изоляции (0,020 м) При расхождении - более 5% принимают новое значение толщины изоляции и расчет повторяют. Если толщина изоляции получилась слишком тонкой, подумайте, как проводить теплоизоляционные работы.

Возможно, лучше было бы выбрать материал с большим λиз.

Допускаемые потери теплоты при наличии изоляции Qпотиз составят:

потиз = α3 Fиз (tиз - tвозд), Вт (49)

где tиз - температура наружной поверхности слоя изоляции, °С(tиз = 35°С);из - площадь наружной поверхности изоляционного слоя, м².

Гидравлический расчет

Целью гидравлического расчета является определение потерь напора (в м) или потерь давления (в H/м²) обрабатываемого продукта при прохождении через теплообменный аппарат и выбор нагнетателя для его транспортирования. Если теплоноситель перемещается по сети заданной конфигурации, то необходимо учитывать общие потери напора с учетом всех участников сети.

Потери напора (давления) складываются из потерь на преодоление трения теплоносителя о стенки прямолинейных участков каналов ∆pтр , потерь на преодоление местных сопротивлений ∆pмс и статистического напора Hст.

∆p = ∆pтр + ∆pмс + Hст, м

Потери напора на трение рассчитываются по формуле

∆pтр = ξ (), м

Где ξ(кси) - коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина);- длина прямолинейного участка при движении, м;эквивалентный диаметр канала, м;- скорость движения теплоносителя, м/сек;- ускорение свободного падения, (9,8 м/сек).

При ламинарном режиме движения жидкости (Re < 3·103):

ξ =

При турбулентном режиме движения течения жидкости (Re = 3·103 ÷ 1·105) можно применить формулу:

ξ=

При неизотермическом ламинарном режиме движения жидкости в теплообменном аппарате (Re<2300)

ξ =()1/3

2. Основная часть

Основная часть курсовой работы включает в себя тепловой, конструктивный, гидравлический расчеты и расчет тепловой изоляции. Все эти расчеты ведутся по отношению к кожухотрубному теплообменнику и представлены в соответствующих подразделах ниже.

Преимущества кожухотрубного теплообменника:

·              надежность в эксплуатации при высоких значениях давлений и температур;

·              разумная и надежная конструкция;

·              простота в чистке, разборке.

.1 Тепловой расчет

Данные:

. Кинематическая вязкость продукта (молоко):

ν=0,7*10 -6 м²/с;

. Плотность продукта (молоко):

ρ=1010 кг/м³;

. Удельная теплоемкость продукта (молоко):

С=3,85 кДж/кг°С;

. Теплопроводность продукта (молоко):

λ=0.51 Вт/м²град;

. Объемный расход продукта (молоко):=3 м³/кг;

. Начальная температура продукта (молоко): =12°С;

. Конечная температура продукта (молоко):=75°С;

. Начальная температура теплоносителя (вода):=96°С;

. Массовый расход теплоносителя (вода):

М=2800 кг/ч.

Независимо от типа аппарата площадь поверхности нагрева определяется из основного уравнения теплопередачи:

Q=kFΔt, Вт (1)

откуда поверхность нагрева (в м):

= (2)

где Q - тепловой поток, переданный холодному теплоносителю, Вт;коэффициент теплопередачи, Вт/м²град;

- средний температурный напор, °С.

Количество тепла, которое необходимо сообщить пищевой среде, производится по уравнению теплового баланса. Так как в нашем случае теплоносителем является жидкость, то уравнение теплового баланса имеет вид:

; (3)

Следовательно, исходя из уравнения (3), количество тепла будет равно:

Конечная температура теплоносителя:

График 1: График изменения температур

По представленному графику можно сделать вывод, что течение жидкостей противоточное и дальнейший расчет это учитывает.

>1.8

Определим критерий Рейнольдса:

Примем скорость молока, равную 1.5, следовательно внутренний диаметр будет равен:

;

Выбираем из таблицы П-4 стандартный диаметр трубы, равный 0.015м. Пересчитаем скорость молока с полученным диаметром:

;

;

При полученном результате можно сделать вывод: так как Re=31428,31428>10000, то у нас будет турбулентный режим течения жидкости.

Рассчитаем значение критерия Прандтля:

- коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к нагреваемому холодному теплоносителю

Определим критерий Нуссельта для турбулентного режима течения молока:

; (4)

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к нагреваемому холодному теплоносителю-:

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к омываемой поверхности стенки, Вт/(м² град)

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

Найдем диаметр трубы, приняв скорость течения воды в трубе, равной 2 . Плотность воды при 96°С берем из таблицы П-2, она равна 961.85:

;

Найдем внутренний диаметр большой трубы.

Наружный диаметр маленькой трубы смотрим в таблице П-4, он равен 0.025(м).

;

В таблице П-4 смотрим стандартный диаметр большой трубы, он равен 0.048(м), тогда диаметр эквивалентный будет равен:

Пересчитаем скорость воды в трубе:

Определим коэффициент теплопередачи:

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

- коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к нагреваемому холодному теплоносителю, Вт/м² град

- толщина стенки, м;

- коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, материал поверхности - сталь, =46 Вт/м²град

Расчет площади поверхности теплопередачи

Q=kFΔt, Вт

Откуда поверхность нагрева (в м):

Поверхность теплообмена рассчитана без учета потерь тепла в окружающую среду и, следовательно, будет меньше поверхности, которая обеспечит реальные условия работы аппарата. Для расчета реальной поверхности необходимо дополнител0ьно знать также  - тепловой поток, теряемый аппаратом в окружающую среду. Это требует знание площади внешней поверхности аппарата и условий теплообмена между корпусом и окружающей средой.

Допускаем, что потери теплоты в окружающую среду не превысят 3-5% от расчетного полезного теплового потока Q. Тогда полный действительный расход теплоты  и действительная поверхность нагрева  определяются по формуле:

.2 Конструктивный расчет

Определение основных размеров аппарата

Конструктивный расчет сводится к определению числа труб, размещению их в трубных 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.

патруб =  = 0,02, мпатруб = (1,5÷2)dпатруб=2·0,02=0,04, м= = =1

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

F=π dср l n, м²

откуда длина одной трубки,

== =16, м

где dср - средний расчетный диаметр труб, определяется в зависимости от соотношения α1 и α2: если α1 = 4267,56, а α2 = 4377 , то α2 > α1, тогда dср = dвнут

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

===4

а общее число труб в аппарате

общ= n·m=4·1=4

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

Трубы в трубных решетках чаще размещают по вершинами правильных шестиугольников. При этом

общ = 3а(а - 1)+1= 2а-1общ = ¾ (b2 - 1) +1= = = 2,2≈3

а===2