Пластинчатый теплообменник для охлаждения купажного сиропа перед сатурацией

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

. Технологический расчет

1.1 Расчет тепловой нагрузки

1.2 Расчет теплового баланса

.3 Средняя разность температур

.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

.5.4 Уточнения коэффициентов теплоотдачи

.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 [1].

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 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]

ρ1 = 1260 кг/м3.

Динамическая вязкость [5]

μ1 = 0,002807Па∙с.

Число Прандтля купажного сиропа вычисляется по формуле [2]

.

Расчет тепловой нагрузки аппарата производится по формуле [2]

,

 Вт.

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),

ρ2= 998 кг/м3,

μ2 =0,00151 Па∙с,

λ2= 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

.

.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 15518-83, 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 [2] 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 = 0,00245 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

.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 0,00245 м2 и эквивалентным диаметром канала 0,0083 м [2] 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 λСТ=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:

.5.4 Уточнения коэффициентов теплоотдачи

Уточняем коэффициент теплоотдачи для купажного сиропа.

Температуры стенок:

 ºС;

 ºС.

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

 кДж/ (кг∙К).

ρ1 = 1260 кг/м3.

μ1 = 0,0042775 Па∙с.

Вт/(м∙К).

.

Коэффициент теплоотдачи купажного сиропа

Уточняем коэффициент теплоотдачи для воды.

При температуре 7,3 ºС 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:

ºС;

ºС.

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

Необходимая поверхность теплопередачи

.

Запас поверхности составит:

Теплообменник номинальной поверхностью F = 40 м² 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

ξ = 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.

ω=.

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 <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.

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