Проект спирального теплообменника

Курсовой проект

На тему:

''Проект спирального теплообменника"

Могилев 2005

Виноградный сок изготавливают натуральный, неподслащенный прозрачный. Сырье должно обеспечить содержание сухих веществ в соке разных товарных сортов не менее 14−16%; кислотность по винной кислоте -0,2−1,0%. Сахарокислотный желателен в пределах 22−28. В зависимости от товарного сорта в соке допускается от 0,05 до 0,15% осадка.

Хороший сок дает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия, Сильванер, Ркацетели, Кокур, Саперави, Воскеат и др.

Виноград моют в вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагу с поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребни перед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ, придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестве дренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкцией пресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужно обязательно удалять.

Выход сока в среднем составляет (в % от массы мезги) 72,3 — -63,6% сока самотека и 1 фракции и 20,2% сока 2 фракции и 3 фракции.

Отжатый виноградный сок процеживают и центрифугируют. Выдержка сока полуфабриката производится в тканях, с целью удаления винного камня и самоосветление сока. Виноградный сок содержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собой ненасыщенный раствор или пересыщенный раствор. В процессе хранения сока при нарушении равновесия, выпадают кристаллы винного камня, это портит внешний вид сока и особенно не допустимо при использовании продукта для питания детей. С понижением температуры хранения растворимость винного камня падает, что ускоряет кристаллизацию.

После 2−3 мес. хранения выпадает винный камень, сок само осветляется и его подвергают дальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до 70−80С, фильтруют на фильтр-прессе через фильтр-картон, фасуют в герметически укупориваемую тару и стерилизуют при 75−85⁰С с последующим водяным охлаждением.

При декантации сока остается отстой, составляющий 4−8% к массе исходного сырья. Сок из отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1−2%.

Производство виноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать и расфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичность работы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное ее потребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока.

Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока и сочетать стабилизацию тартратов в растворе или их быстрое осаждение с осветлением сока.

1. Состояние вопроса

Целью данного курсового проекта является подбор спирального теплообменника, который необходим при производстве виноградного сока.

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

Теплообменниками называют аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители и др.). Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменника — рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева — твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

1) жидкостно-жидкостные — при теплообмене между двумя жидкими средами;

2) парожидкостные — при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

3) газожидкостные — при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха и др.).

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом. В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта. Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени. При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150−160⁰С, что соответствует давлению (5−7)•10⁵ Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200⁰С.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.

Эти аппараты имеют цилиндрические, сферические или плоские двойные стенки — водяные или паровые рубашки, через которые происходит теплообмен.

Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством.

При небольших расходах рабочих жидкостей число трубок в ходу может быть уменьшено в пределе до одной. Однотрубные теплообменники составляются из отдельных элементов типа «труба в трубе», каждый элемент состоит из двух труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно.

Погружной трубчатый теплообменник обычно имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью.

Такой теплообменник представляет собой трубу с прямоугольными витками, расположенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

К этим теплообменникам относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.

2. Технические описания и расчеты

2.1 Описание принципа работы технологической схемы производства виноградного сока

Виноградный сок изготавливают натуральный, неподслащенный, прозрачный. Сырье должно обеспечить содержание сухих веществ в соке разных сортов не менее 14−16%. Хороший сок дает виноград сортов Рислинг, Алиготе, Мускат, Каберне, Лидия и др.

Виноград моют в вентиляторной моечной машине, на транспортере обдувкой воздухом удаляют влагу с поверхности ягод, инспектируют, затем дробят сырье и прессуют мезгу. Гребни перед прессованием удаляют, так как они содержат много дубильных веществ, придающих соку травянистый вкус. Иногда их частично оставляют в мезге в качестве дренирующего материала. Необходимость удаления гребней связана с конструкцией пресса. При применении шнекового пресса, перетирающего мезгу, гребни нужно обязательно удалять.

Выход сока, в зависимости от конструкции пресса, в среднем составляет (в % от массы мезги): на гидравлическом прессе — 72,3%, на шнековом — 63,6%. Шнековые прессы работают непрерывно, имеют высокую производительность, просты в обслуживании, но дают мутный сок.

Отжатый виноградный сок процеживают и центрифугируют, а затем обрабатывают с длительной выдержкой или по ускоренной схеме. Выдержка сока — полуфабриката производится в танках, цель ее — удаление винного камня и самоосветление сока. Виноградный сок содержит в среднем 0,5% винного камня и представляет собой насыщенный или пересыщенный раствор. С понижением температуры хранения растворимость винного камня падает, что ускоряет его кристаллизацию. В связи с этим применяют выдержку виноградного сока-полуфабриката при температуре −1…−2⁰С в танках в атмосфере углекислого газа.

После 2−3 месяцев хранения выпадает винный камень, сок самоосветляется и его подвергают дальнейшей обработке. Сок декантируют с осадка, центрифугируют, подогревают до 50−60⁰С (без выдержки), фильтруют на фильтр-прессе через фильтр-картон, фасуют в герметически укупориваемую тару и стерилизуют при 75−85⁰С с последующим водяным охлаждением.

При декантации сока остается отстой, составляющий 4−8% к массе исходного сырья. Сок из отстоя извлекают центрифугированием, снижая количество отходов до 1−2%.

Производство виноградного сока с выдержкой полуфабриката позволяет обрабатывать и расфасовывать продукцию в межсезонный период, что обеспечивает ритмичность работы заводов, экономичные условия хранения продукции и равномерное ее потребление в течение года. Ускоренные схемы позволяют выпускать готовую продукцию через несколько суток после заготовки сока.

2.2 Описание принципа работы спирального теплообменника

В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена образована двумя стальными листами толщиной 2−4 мм, свернутыми на специальном станке в спирали. Между листами при помощи приваренных дистанционных штифтов сохраняется одинаковая по всей спирали расстояние — 8 или 12 мм. Таким образом, получаются два спиральных канала, заканчивающихся в центре двумя полуцилиндрами, отделенными друг от друга перегородками. К периферийной части листов приварены коробки. Каждый цилиндр с торцовой стороны и каждая коробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя. Для герметизации используют прокладки из резины, паронита, асбеста или мягкого материала. Согласно ГОСТ 12 067;72, спиральные теплообменники имеют поверхность теплообмена от 10 до 100 м², работают при давлениях до 1 МПа и температуре от -20 до +200С.

2.3 Тепловой расчет аппарата

теплообменник виноградный сок аппарат Исходные данные:

производительность аппарата G=600 л/ч=637,2 кг/ч;

температура: продукта на входе в аппарат t₁=15⁰С; на выходе из аппарата t₂=70⁰С; греющего пара t_п=120⁰С;

скорость движения продукта: w_п=0,5 м/с;

В качестве продукта используется виноградный сок:

с=1062,86 кг/м³;

µ=0,785 Па•с;

с=3395,44 Дж/кг•К;

л=557,2•10^-3 Вт/м•К;

Содержание сухих веществ в соке составляет 16%.

В качестве теплоносителя используется водяной пар.

1. Тепловая нагрузка аппарата:

Q=G₁c₁(t₂-t₁)=637,23,395 (70−15)=118 981,17 кДж/ч;

2. Средняя разность температур:

а) большая разность температур:

Дt_б= t_п — t₁=120−15=105⁰С;

б) меньшая разность Дt_м =t_п — t₂=120−70=50⁰С.

Так как Дt_б /Дt_м=2,1>2, то Дt_ср=(Дt_б — Дt_м)/ln (Дt_б/ Дt_м).

Дt_ср=(105 — 50)/ln (105/ 50)=74,13 ⁰С.

3. Эквивалентный диаметр спирального теплообменника определяем по формуле d_э4b/2b=2 (сторона не участвует в теплообмене). Приняв ширину канала равную 0,01 м, получаем значение эквивалентного диаметра: d_э=20,01=0,02 м.

4. Задавшись скоростью движения раствора ₁=0,5 м/с, находим площадь сечения канала теплообменника:

f=G₁/₁3600₁=637/106 236 000,5=0,33 м². Откуда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты) b_е=0,33/0,01=0,033 м. Принимаем ширину ленты 0,025 м, тогда площадь поперечного сечения канала f=0,35 м².

Действительная скорость движения сока по каналу теплообменника:

₁=G₁/3600f=637,2/106 236 000,00035=0,47 м/с.

5. Определяем динамический коэффициент вязкости (пленки конденсата) и численные значения ее теплопроводности, коэффициент теплопроводности и плотности как функции от t_пл=97,76С:

µ_пл= 291,13 •10^-6 Па•с;

с_пл=4220,41 Дж/кг•К;

л_пл=68,23 •10^-2 Вт/м•К;

с_пл=959,67 кг/м³.

6. Расход греющего пара:

G₂=Q/c_пл(t_п — t₁)=118 981,17/4220,41 (120−15)=268,49 кг/ч.

7. Скорость греющего пара в канале теплообменника:

₂=268,49/959,6 736 000,00035=0,22 м/с.

8. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для продукта:

Re₁=₁d_э/=0,470,21 062/0,785=12717.

9. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для греющего пара:

Re₂=₂d_э/=0,220,2 959,67/0,29 113=14504.

10. Принимаем диаметр спирали теплообменника D_c=1 м, находим критическое значение Re:

Re_кр=20 000 (d_э/D_c)^0,32=20 000 (0,02/1)^0,32=5720.

11. Вычисляем число Прандтля для продукта:

Pr₁=c/=(3395,440,785)/0,557=4,78.

12. Вычисляем число Прандтля для пристенного слоя воды:

Pr₂=c_плпл/_пл=(4220,410,29 113)/0,6823=1,8.

13. Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенкам спирали:

Nu₂=0,023Re₂^0,8Pr₂^0,33(1+3,54d_э/D_c)=0,2 314 504^0,81,8^0,33(1+3,540,02/1)= 63,8.

Откуда:

₂=Nu_2пл/d_э=63,80,6823/0,02=2176,5 Вт/(м²с).

14. Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к продукту:

Nu₁=0,023Re₁^0,8Pr₁^0,33(1+3,54d_э/D_c)=0,2 312 717^0,84,78^0,33(1+3,540,02/1)= 79.

Откуда:

₁=Nu₁/d_э=790,557/0,02=2200,15 Вт/(м²с).

15. Задавшись толщиной стенки теплообменника _ст=0,004 м и материалом стенки из стали Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности _ст=16 Вт/(мС), находим значение:

k=1/((1/₁)+(1/₂)+(/_ст))=1/(0,45 943+0,454 514+0,25)=859,14 Вт/(мС).

16. Находим поверхность теплообмена спирального теплообменника:

F=Q/kДt=(118 981,171000)/(859,1474,133 600)=0,518 м².

17. Длина листов спирали определяется из соотношения:

L=F/2b=0,5187,40,035=7,4 м².

18. Число витков спирали, необходимое для получения эффективной длины, определяем по уравнению:

N=L/(2t)+1/16 (d/t-1)²-¼ (d/t-1)=7,55.

где t=+ст=0,01+0,004=0,014 м;

d=2r+t=20,05+0,014=0,114 м. (r принимаем равной 0,05 м).

19. Наружный диаметр спирали теплообменника с учетом толщины листа определяется по формуле:

Dc=d+2Nt+ст=0,314+215,10,014+0,004=0,74 м.

где N=2n=27,55=15,1 — число витков обеих спиралей.

20. Зная наружный диаметр спирали, находим по формуле критическое значение Re:

Reкр=20 000 (0,02/, 74)^0,32=6298,04.

21. Определяем потерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спирального теплообменника:

ь Для продукта потерю напора определяем по формуле:

ДP=0,0113/((L₁²)/(Re^0,25))=184,8 кг/м².

ь Для греющего пара потерю напора определяем по формуле:

ДP=0,0113/((L₂²)/(Re^0,25))=35,3 кг/м².

2.4 Расчет и подбор нагнетательного оборудования

1) По производительности выбираем центробежный насос со следующими параметрами:

Марка Х2/25.

Производительность G=4,2•10^-4м³/с Н столба жидкости 25 м Частота вращения 50 1/с Электродвигатель Тип АОЛ-12−2.

Мощность 1,1 кВт.

2) Выбор трубопровода.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения продукта, равную 0,5 м/с.

d=(4Q/wр)^0,5=(4•0,16/3,14•2)^0,5=0,02 м.

3) Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Находим критерий Рейнольдса:

Re=wdс/µ=(0,5•0,02•1062,86)/0,785=13539,6 следовательно режим турбулентный.

Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем Д=2•10^-4 м.

е=Д/d=2•10^-4 /0,02=0,01.

1/е=100.

10•1/е=1000.

560•1/е=560 000.

10•1/е <Re<560•1/е, следовательно, в трубопроводе имеет место смешанное трение.

л=0,11 (е+68/ Re)^0,25=0,11 (0,0125+68/13 539,6)^0,25=0,029.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии:

о_вс=о₁+ о₂=0,018+4,2=4,218, где о₁-сопротивление по длине трубы;

о₁=л•w²/2g•d =0,0290,25/0,02•2•9,81=0,018.

о₂-вентиль;

о_нагн= 5•о₁+ о₂+3•о₃=5•0,018+0,42+3•1,1=7,59 где о₃-отводы под углом 90^о.

Потерянный напор во всасывающей линии:

h_вс= (л/d+ о_вс) • w²/2g =(0,029/0,02+4,218) 0,25/2•9,81=0,072 м.

Потерянный напор в нагнетательной линии:

h_нагн= (л/d+ о_нагн) • w²/2g =(0,029/0,02+7,59) 0,25/2•9,81=0,108 м.

Общие потери:

h_п= h_вс+ h_нагн=0,108+0,072=0,18 м.

Запас напора на кавитацию:

h₃=0,3 (Gn²)^2/3=0,3 (4,2•10^-4•50²)^2/3=0,31 м.

По таблицам давлений насыщенного водяного пара находим, что при температуре 45,87⁰С р_t=9,58• 10³ Па, атмосферное давление равно р₁=10⁵ Па.

Н_вс?р₁/gс — (р_t/gс+w²/2g+h₃+h_вс)= =10⁵/1062,86•9,81 (9580/1042,67+0,5/2•9,81+1,44+0,31)=19,5 м.

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю. И. Дытнерского. — М.: Химия, 1983. — 272 с.

2. Основные процессы и аппараты пищевых производств / Под ред. Ю. И. Липатова. — М.: Химия, 1987. — 272 с.

3. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И. В. Стахеева. — М.: «Вышэйшая школа», 1972.

4. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии./ Под ред. П. Г. Романкова. — Л.: Химия, 1987. — 576 с.

5. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И. В. Стабникова. — М.: «Вышэйшая школа», 1972.