Пояснювальна записка
до курсового проекту на тему:
Проект змієвикового теплообмінника для охолодження цукрового розчину
продуктивністю 1800 кг/год.
Завдання:
Q = 1800 кг/год.
р = 45?C
р =21?C
tв.п. = 19?C
tв.к = 41?C
Концентрація цукрового розчину 33 %
ЗМІСТ
Вступ
1.Описання проектованого апарата
2.Місце та призначення апарата в технологічній схемі
3. Розрахунки
3.1.Тепловий розрахунок
3.2.Конструктивний розрахунок
3.3.Гідравлічний розрахунок
3.4.Розрахунок теплової ізоляції
3.5 Техніко-економічні розрахунки
Список використаної літератури
ВСТУП
Теплообмінні апарати різних конструкцій широко використовують в
харчовій і інших галузях промисловості.
Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла
до другого. Необхідною і достатньою умовою для теплообміну є різниця
температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість
переданої теплоти.
Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають
теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим
теплоносієм, а речовину з нижчою температурою – холодним. Як гарячі
теплоносії в харчовій промисловості найчастіше використовують водяну
пару, гарячу воду, нагріте повітря, димові гази і гарячі мінеральні
масла, а як холодні теплоносії – воду, повітря, ропу ( розсол), аміак і
фреони.
Процеси теплообміну відбуваються повсюди, де необхідно нагрівати
або охолоджувати те чи інше середовище з метою його обробки або для
утилізації тепла. Для передачі тепла від середовища з високою
температурою до середовища з низькою використовують теплообмінні апарати
різних конструкцій.
Вимоги до промислових теплообмінних апаратів в залежності від
конкретних умов використання досить різноманітні. Основними з них є:
забезпечення найбільш високого коефіцієнта теплопередачі при можливо
меншому гідравлічному опорі; компактність і найменша витрати матеріалів
на одиницю теплової потужності апаратів; надійність і герметичність у
поєднанні з розбірністю і доступністю до поверхні теплообміну для
механічного очищення від забруднень Ії.
Через велику різноманітність вимог до теплообмінних апаратів,
економічно невигідно, а часто і зовсім недоцільно обмежитись будь-якою
однією конструкцією теплообмінників.
За способом передачі тепла теплообмінні апарати ( їх часто
називають теплообмінниками) можна поділити на дві основні групи:
поверхневі теплообмінники і теплообмінники змішування.
В поверхневих теплообмінниках передача тепла від одного середовища
до іншого відбувається звичайно через металеву стінку, яку умовно
прийнято називати поверхнею теплообміну.
В теплообмінниках змішування передача тепла відбувається в процесі
безпосереднього з’єднання і перемішування середовищ , що ,вочевидь,
допустимо лише за певних умов, які значно обмежують використання
апаратів такого типу.
1.Описання проектованого апарата
В залежності від конструктивного виконання поверхневі
теплообмінники
поділяють на трубчаті, пластинчасті, спіральні, теплообмінники з
рубашкою і теплообмінники з оребреною поверхнею. Трубчаті теплообмінники
зустрічаються кожухотрубні, типу ”труба в трубі”, зрошувальні та
змієвікові.
Змієвикові теплообмінники за класифікацією відносять до заглибних
теплообмінників.
Такий теплообмінник являє собою корпус 2 , закритий вгорі кришкою
. Змійовик 3 занурений у рідину, яку охолоджують.( див. креслення) Для
підводу розчину слугує патрубок Б, виходу розчину – патрубок В.
Охолодна вода подається через патрубок Г і виходить відпрацьована вода
через патрубок Д.
Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках порівняно низький ,
але через простоту виготовлення вони набули значного поширення.
На рис.1.1 наведена схема руху теплоносіїв в змійовиковому
теплообміннику
Рис. 1.1 Схема заглибного змійовикового теплообмінника
І – цукровий розчин; ІІ – охолодна вода
1 – витіснюваний стакан;
2 – корпус;
3 – змійовик.
2. Місце та призначення апарата в технологічній схемі
Даний курсовий проект передбачає охолодження цукрового розчину у
виробництві батонів . За цією схемою цукровий сироп перед подачею
в тістомісильну машину охолоджується в теплообміннику 24 до
температури 21?С. Сюди ж подається сіль , борошно, дріжджі і вода.
Замішене тісто поступає в бункер 7, звідки подається на тістоділитель
22, потім шматки тіста закруглюються на тістозакруглювачі 20 і ковшовим
транспортером 19 подаються в тістозакаточну машину з відбраковщиком
шматків тіста 18. Потім заготовки поступають у шафу остаточного
розшарування тіста 8 і надходять в тунельну піч 9. Випечені батони
конвеєром –транспортером 17 подаються в конвеєрну шафу для охолодження
хліба 10, звідки через циркуляційний стіл 16, укладаються в
контейнери для хліба 11 і завантажувачем 13 транспортуються в машини і
до споживача.
3. Розрахунки
Вихідні дані:
Q = 1800 кг/год. = 0,5кг/с
р = 45?C
р =21?C
tв.п. = 19?C
tв.к = 41?C
Концентрація цукрового розчину СР= 33 %
3.1. Тепловий розрахунок
Середню різницю температур між розчином і охолодною водою визначаємо як
середньологарифмічну різницю:
(3.1.2)
– різниці температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника;
; (3.1.3.)
=45-41 = 4?С;
=21-19 = 2?С.
=2,9?С;
Середня температура рідини, яку охолоджують:
) = 0,5*(45+21) = 33?С
визначаємо теплофізичні параметри розчину): [2, Д.1-4]
=2,84*10-3Па*с;
густину цукрового розчину визначаємо за формулою:
; кг/м? (3.1.4.)
= 1144 кг/м?;
СР = 33,0%;
= 33 ?С;
= 1144-(0,4+0,0025*33,0)(33-20) =1137,7кг/м?.
; (3.1.5.)
= 3440,1 Дж/кг*К
коефіцієнт теплопровідності рідини:
; (3.1.6.)
– теплопровідність води при заданій температурі tв =(19+41)/2 = 30?С ,
Вт/(м*К);
= 0,622 Вт/(м*К). [2,табл.Д10]
– коефіцієнт, визначаємо[2,табл.Д3] методом інтерполяції при
СР = 33%
= 0,817
*33,0)= 0,414 Вт/(м*К)
= 23,6 (3.1.7.)
Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат:
); Вт (3.1.8.)
де х – коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище;
0,97
приймаємо х = 0,95
G – витрата розчину, кг/с;
G = 1800 кг/год = 0,5кг/с;
с – теплоємність цукрового розчину, Дж/(кг*К); визначили з
формули (3.1.5.)
с = 3440,1Дж/(кг*К)
Q = 0,95*0,5*3440,1*(45-21) =39217,14Дж/с
Витрата охолодної води, кг/с:
(3.1.9.)
де G – маса розчину, кг/с;
св, ср – питомі теплоємності відповідно охолодної води і цукрового
розчину, кДж/(кг*К);
– початкові температури відповідно охолодної води і цукрового
розчину, ?С;
– кінцеві температури відповідно охолодної води і цукрового розчину,
?С;
=0,48 кг/с;
Загальний коефіцієнт теплопередачі визначаємо за формулою:
; (3.1.10.)
– коефіцієнт тепловіддачі від води до стінки, Вт/(м?*К);
– товщина стінки, м;
– теплопровідність стінки, Вт/(м*К);
Приймаємо , що матеріал трубок – сталь ;
= 46 Вт/(м*К);
– коефіцієнт тепловіддачі від стінки до рідини, Вт/(м?*К);
визначається залежно від режиму руху цукрового розчину.
Визначимо критерій Рейнольдса, який характеризує гідродинамічний
режим руху розчину, за формулою:
;
(3.1.11.)
де dв – діаметр трубок; d = 0,03м.
Приймаємо швидкість руху цукрового розчину 0,6м/с:
=7210
Оскільки 2320
v1/4th H ^ b ? ‚ ¶ ? oe o 46v1/4th i * i j] j визначальний геометричний розмір – внутрішній діаметр трубки, м; =30мм = 0,03 м. - коефіцієнт теплопровідності; = 0,414 Вт/(м*К) = 1273,7Вт/(м?*К) за формулою: ; Параметри води при температурі 0,5*(19+41) = 30?С = 804*10-6 Па*с; динамічна в’язкість води; [2, ст..59] = 996 кг/м3; густина води. Pr = 5,42 =0,618Вт/(м*К) - швидкість руху води, приймаємо 1 м/с. d – еквівалентний діаметр =37164 критерій Nu знайдемо з формули: )0,25 Nu = 0,021*371640,8*5,420,43*1 =0,021*4529,9*2,08 = 197,9 =4076,74 Вт/(м?*К) Визначимо коефіцієнт теплопередачі: =941Вт/(м?*К) Площу поверхні нагрівання теплообмінника визначаємо за формулою: ; (3.1.14.) =14,37м? 3.2. Конструктивний розрахунок Приймаючи діаметр витка змійовика d з і відстань між витками по вертикалі h, знаходимо довжину одного витка змійовика як гвинтової лінії по формулі: (3.2.1) Значенням h можна знехтувати, оскільки звичайно його приймають рівним 1,5-2 діаметрам труби змійовика. d з = 1,2м = 2,6м загальна довжина змійовика (3.2.2.) = 152,5 м Число витків змійовика (3.2.3) = 58,6 = 59 Загальна висота (3.2.4) 2,93 м = 3м Внутрішній діаметр D корпуса теплообмінника, в який поглинається змійовик, приймаємо в межах: = 1,2+3,5*0,033 = 1,31 = 1,4м Діаметр патрубків визначаємо за рівнянням об’ємних витрат, м?/с: ; (3.2.5.) ; м (3.2.6) За формулою 3.2.6 визначаємо розміри патрубків для робочих середовищ, при їх параметрах, вказаних в таблиці 3.2.1. Таблиця 3.2.1. Середовище , м/с , кг/м? , кг/с Цукровий розчин 0,6 1137,7 0,5 Охолодна вода 1,0 996 0,48 Діаметр патрубка для входу цукрового розчину в апарат: = 0,03м приймаємо d = 0,032 м Діаметр патрубка для входу охолодної води: = 0,024 м приймаємо d = 0,032 м Діаметр патрубку для виходу розчину і води приймаємо такий самий як і для входу. 3.3. Гідравлічний розрахунок Розрахунок проводять для визначення потужності насосів та встановлення оптимального режиму роботи апарату. Потужність, необхідну для переміщення теплоносія через апарат, Вт, визначимо з формули: ; (3.3.1.) де V -об'ємні витрати рідини, м?/с; ?P – перепад тисків в апараті, Па; - к.к.д. насосу. . Отже, повний гідравлічний опір: ; (3.3.2.) - коефіцієнт гідравлічного тертя; L – загальна довжина труби, м; d – діаметр труби, м; - коефіцієнт місцевого опору; w – швидкість руху теплоносія, м/с; - густина теплоносія, кг/м?. ): ; (3.3.4.) = 0,023 Обчислюємо суму коефіцієнтів місцевих опорів в апараті (наближено): = 1,5*(n-1) =1,5*(59-1) = 87 =41760,1 Па; Потужність приводу насосу цукрового розчину складе : =22,9Вт; 3.4. Розрахунок теплової ізоляції Теплова ізоляція – один із основних факторів, які зменшують втрати теплоти і зберігають паливо. Товщина ізоляції повинна бути такою, щоб температура на Ії поверхні була не більшою за 50 ?С. р = 45?C р =21?C Середня температура рідини, яку охолоджують: ) = 0,5*(45+21) = 33?С В зв’язку з тим, що середня температура розчину 33?С ми не будемо влаштовувати на апарат теплову ізоляцію. Товщина ізоляції: ; (3.4.1.) - теплопровідність ізоляційного матеріалу, Вт/(м*К); - температура відповідно в апараті, на поверхні ізоляції та повітря, що оточує апарат, ?С; - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, Вт/(м?*К); ); (3.4.2.) В зв’язку з тим, що середня температура розчину 25,5?С ми не будемо влаштовувати на апарат теплову ізоляцію. 3.5.Технікo- економічний розрахунок Техніко-економічний розрахунок теплообмінників дозволяє знайти оптимальні умови роботи апарату з урахуванням капітальних витрат, амортизації обладнання і експлуатаційних витрат. На інтенсивність теплообміну впливає в першу чергу швидкість руху рідини в теплообміннику. З Ії зростанням підвищується коефіцієнт теплопередачі, зменшуються поверхня теплообміну і капітальні витрати на виготовлення апарату, віднесені до одного року роботи апарату (амортизаційні витрати). Разом з тим збільшення швидкості руху рідини призводить до підвищення гідравлічних опорів і витрат енергії на їх подолання. Внаслідок цього зростає вартість електроенергії, спожитої за рік електродвигуном, який приводить в дію насос для прокачування рідини через теплообмінник, а відповідно, і експлуатаційні витрати. Оптимальна швидкість руху рідини повинна відповідати мінімуму функції: ; (3.5.1.) - відповідно сумарні, амортизаційні і експлуатаційні витрати, грн./ рік . Амортизаційні витрати: *a; (3.5.2.) де F – поверхня теплообміну, м?; - вартість 1 м? поверхні теплообміну апарату, грн./м?; = 500 грн./м?. а – річна частка амортизаційних відрахувань, % ; ; (3.5.3.) Р – роки експлуатації; = 0,1 Ка = 14,37*500*0,1=718,5 грн./ рік Експлуатаційні витрати: ; (3.5.4.) де N – потужність електродвигуна насосу, кВт; - вартість 1 кВт* год. електроенергії, грн. / кВт* год.; = 0,50 грн. / кВт* год. - кількість годин роботи теплообмінника на рік (24 години, 320 діб); = 24*320 = 7680 год. Ке = 0,0229*0,50*7680 = 87,94грн./ рік Тоді сума витрат складе: К = 718,5+87,94= 806,44грн./ рік Сумарні витрати на амортизацію і експлуатацію складають 806,44грн./рік. СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ В.Н.Стабников, В.И. Баранцев. „Процессы и аппараты пищевых производств”, Москва, „Легкая и пищевая прмышленность”,1983г. Процеси і апарати харчових виробництв. Методичні вказівки до вивчення дисципліни та виконання контрольних робіт для студентів технологічних спеціальностей заочної форми навчання, Київ, НУХТ,2002. К.Ф.Павлов, П.Г. Романков, А.А.Носков . Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, « Химия» , Ленинградское отделение, 1976г. О.Г. Лунин « Теплообменные аппараты пищевой промышленности», Москва, «Пищевая промышленность», 1967. В.И. Баранцев «Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств», Москва, Агропроимиздат, 1985 Процеси і апарати харчових виробництв. методичні вказівки для виконання курсового проекту для студентів технологічних спеціальностей напряму 0917 « Харчова технологія і інженерія» денної та заочної форм навчання , Київ, НУХТ,2003
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
