Размещено на http://www.allbest.ru/

38

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральская Государственная сельскохозяйственная академия

инженерный факультет

кафедра пищевой инженерии

Курсовой проект

по дисциплине: «Процессы и аппараты пищевых производств»

на тему: «Выпарная двухкорпусная установка для концентрирования сахарного раствора»

Пояснительная записка

110303.00.00.00.022 ПЗ

Исполнитель

студент группы МП-3 Симанов А.В.

Руководитель

проф. Минухин Л.А.

Екатеринбург 2012

Содержание

• Введение 3
• 1. Сравнительный анализ современных выпарных аппаратов и установок 5
• 1.1 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора 6
• 1.2 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора 8
• 1.3 Пленочные выпарные аппараты 10
• 1.4 Многокорпусные выпарные аппараты 14
• 2. Описание установки 16
• 3. Тепловой баланс аппарата 18
• 4. Технологический расчёт выпарной установки 23
• 4.1 Тепловые балансы аппаратов 23
• 4.2 Тепловой баланс подогревателя 24
• 4.3 Тепловой баланс конденсатора 25
• 4.4 Определение количества выпаренной воды и расхода пара 26
• 4.5 Определение расхода охлаждающей воды конденсатора 27
• 4.6 Теплотехнический расчёт выпарного блока 27
• 4.7 Расчёт конструктивных размеров аппарата. 33
• Вывод 35
• Список использованных источников 37
• Введение
• выпарная установка тепловой расчет
• Выпаривание - процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или мало летучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя. Выпаривание обычно происходит при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.
• В промышленности обычно выпаривание проводят при кипении раствора.
• При выпаривании растворов твердых веществ в ряде пищевых производств достигают насыщения раствора, при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное вещество.
• Выпаривание применяют для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.
• Процесс выпаривания широко используют в сахарном и консервном производстве при концентрировании сахарных томатных соков, молока и др.
• В пищевой технологи выпаривают, как правило, водные растворы.
• Выпаривание проводят в выпарных аппаратах. Процесс выпаривания может проводиться непрерывно и периодически. Аппараты периодического действия используются в основном в производствах малого масштаба.
• Выпаривание осуществляют как под вакуумом, так и при атмосферном и избыточным давлениях.
• В данной курсовой работе предложено рассчитать выпарной аппарат с естественной циркуляции, Процесс выпаривания происходит при температуре 100°С, а, следовательно, при атмосферном давлении. Рабочей средой является сахарный раствор. В ходе конструирования аппарата необходимо разработать аппаратно-технологическую схему процесса, а так же повысить экономический эффект, уменьшив энергопотери при помощи высокотехнологичных теплоизоляторов с низким коэффициентом теплопроводности, использовать вторичный пар в качестве рабочей среды подогревателя.

1. Сравнительный анализ современных выпарных аппаратов и установок

Теплообменники - устройства, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.

В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые реакции: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение, затвердевание и сложные комбинированные процессы. Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и, в зависимости от назначения, называются подогревателями, испарителями, конденсаторами, регенераторами, парообразователями, кипятильниками, выпарными аппаратами и т.д.

В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые среды.

Установки, состоящие из одиночного аппарата вторичный пар, из которого не используется (при выпаривании под атмосферным давлением или при разряжении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками.

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединённых друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже и т.д., вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор или используется вне установки.

Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), это позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

Устройство выпарных аппаратов

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб. Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

1. кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

2. сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в сепараторе составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников.

В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

2. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

3. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

4. Плёночные выпарные аппараты.

1.1 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора

Принципиальная конструктивная схема выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора представлена на рисунке 1.

Выпарной аппарат состоит из сепаратора 1, греющей камеры 2 и циркуляционной трубы 3.



а - с соосной греющей камерой; б - с вынесенной греющей камерой;

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба.

Рисунок 1. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора

Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают отбойники различной конструкции, Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубного теплообменника, в межтрубное пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубах кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из не обогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих самой жидкости.

Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы - паровое пространство - циркуляционная труба - труба и т.д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 °С.

Выпарные аппараты данной конструкции имеют площадь поверхности теплопередачи от 10 м² до 1200 м²_; длину кипятильных труб от 3 до 9,м в зависимости от их диаметра. Избыточное давление в греющей камере 0,2... 1,6 МПа, а в сепараторе вакуум примерно 93,0 кПа.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией характеризуются простотой конструкции и легкодоступны для ремонта и очистки.

1.2 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора

Принципиальная конструктивная схема выпарного аппарата с принудительной циркуляцией раствора представлена на рисунке 2.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи. Циркуляция жидкости производится насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление в низу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Из-за этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико. Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5..,3,5 м/с. Она определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3...5 °С) и при выпаривании растворов большой вязкости. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией имеют площадь поверхности теплопередачи от 25 до 1200 м² длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметра. Избыточное давление в греющей камере составляет от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе - 93,0 кПа.

а - с соосной греющей камерой; б - с вынесенной греющей камерой;

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба; 4 - насос.

Рисунок 2. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора

Преимущества аппаратов с принудительной циркуляцией: высокие коэффициенты теплопередачи (в 3 - 4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньшие площади поверхности теплопередачи при той же производительности, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур. Недостаток этих аппаратов - затраты энергии на работу насоса.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из сравнительно дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

1.3 Пленочные выпарные аппараты

Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой. Принципиальные конструктивные схемы данных конструкций представлены на рисунке 3.

Пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается.

а - с восходящей плёнкой и соосной греющей камерой; б - с падающей плёнкой и вынесенной греющей камерой; 1 - сепаратор; 2 - греющая камера.

Рисунок 3. Плёночные выпарные аппараты

Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один проход раствора через трубы.

Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят из греющей камеры и сепаратора. В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9м, которые обогреваются греющим паром.

Пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20...25% высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходит турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

Выпарной аппарат с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора.

Пленочные выпарные аппараты изготовляют с площадью поверхности теплопередачи от 63 до 2500м с диаметром труб 36 и 57мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МП а, а вакуум в сепараторе 93,0 кПа.

Недостаток пленочных аппаратов - неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара и раствора. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Для выпаривания вязких и термолабильных растворов в последние годы получают широкое применение пленочные роторные аппараты. Цилиндрический корпус аппарата 1 состоит, как правило, из нескольких секций с нагревательными паровыми рубашками 3, в которые через патрубки 10 подается греющий пар и выводится конденсат. Внутри аппарата на вертикальном вращающемся валу 5 закреплены лопатки 2 с зазором к внутренней нагреваемой поверхности. Вал приводится во вращение от электродвигателя 6 через клиноременную передачу 7. Раствор на выпаривание подается через патрубки 9 в верхней нагревательной части аппарата и стекает по внутренней поверхности. Лопатки 2 выравнивают толщину слоя раствора и перемещают его сверху вниз. Образующийся вторичный пар по свободной центральной полости аппарата перемещается вверх в сепаратор 8 и выводится из аппарата. Концентрированный раствор накапливается в нижней конической части аппарата и выводится через патрубок 4. Известны две модификации аппаратов: с лопатками, жестко закрепленными на валу, тогда толщина слоя ограничивается зазором между лопаткой и внутренней поверхностью корпуса и не может изменяться в процессе выпаривания; в других аппаратах лопатки шарнирно закреплены на валу и прижимаются к внутренней поверхности центробежной силой. При этом, изменяя скорость вращения, можно влиять на величину зазора или степень прижатия лопаток к поверхности. В этих аппаратах можно выпаривать даже кристаллизующиеся растворы, соскребая их лопатками. Главное преимущество пленочных роторных аппаратов -- малая продолжительность контакта выпариваемого раствора с нагретой поверхностью.

В зависимости от свойств раствора она может составлять от 5 до 25 с. Недостатки -- небольшая производительность, сложность конструкции и относительно высокая стоимость. Высота аппарата достигает 12.5 м при диаметре 1.0 м, площадь поверхности теплообмена от 0.8 до 16 м.².

Жёсткий ротор изготовляют пустотелым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой аппарата составляет 0.4 - 1.5 мм.

Принципиальное отличие испарителя с размазывающим ротором заключается в применении ротора с шарнирно закрепленными на валу флажками.

При вращении ротора флажки прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности корпуса и размазывают по ней продукт в виде пленки.

Такие аппараты применяют также для проведения совмещенного процесса концентрирования и сушки. Диаметр аппаратов достигает 1 м, площадь -- от 0,8 до 12 м, окружная скорость вращения ротора с флажками -- 5 м/с.

Рисунок 4. Плёночный роторный выпарной аппарат

А - общий вид; Б - сечение с жестко закрепленными лопатками; В - сечение с отклоняющимися лопатками; 1 - корпус с нагревательными рубашками; 2 - лопатки; 3 - паровые рубашки; 4 - патрубок для выхода упаренного раствора; 5 - вал; 6 - электродвигатель привода вала; 7- клиноременная передача; 8 - сепаратор; 9 - патрубки для подачи раствора на выпаривание; 10 - патрубки для подачи греющего пара и отвода конденсата.

Конструкция аппаратов позволяет благодаря осевому перемещению ротора регулировать толщину пленки и тем самым скорость процесса.

Роторно-пленочные аппараты имеют более высокие коэффициенты теплопередачи, чем аппараты с падающей пленкой, они достигают значений, равных 2300 - 2700 Вт/(м -К), в то время как в аппаратах с падающей пленкой: 1500- 1600 Вт/(м²-К).

1.4 Многокорпусные выпарные аппараты

Рисунок 5. Схемы прямоточной и противоточной установок

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные. Схемы с прямоточным и противоточным движением греющего пара относительно выпариваемого раствора представлены на рисунке 5.

Многократное выпаривание проводят в ряде последовательно установленных выпарных аппаратов. С целью экономии греющего пара в выпарных установках многократного выпаривания в качестве греющего пара во всех корпусах, кроме первого, используется пар из предыдущего корпуса.

Многократное выпаривание можно осуществить при использовании греющего пара высокого давления либо при применении вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установок должно поддерживаться таким образом, чтобы температура поступающего в корпус пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе.

Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяют при концентрировании термически стойких растворов.

Преимуществом прямоточной схемы является то, что раствор самотеком перетекает из корпуса с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением. Недостатком прямоточных установок является более низкий средний коэффициент теплопередачи, чем в противоточных установках.

В противоточной выпарной установке, греющий пар поступает, как и в предыдущем случае, только в первый корпус, а вторичные пары обогревают все последующие корпуса. Выпариваемый раствор вводится в последний корпус и перемещается противотоком вторичному пару к первому корпусу. Вследствие того, что давление от последнего корпуса к первому постепенно возрастает, для перекачки раствора устанавливают центробежные насосы.

Противоточные установки используют в основном для выпаривания растворов, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации, а также, если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем случае.

2. Описание установки

Установка состоит из: выпарного аппарата первого корпуса, выпарного аппарата второго корпуса, регенеративного подогревателя, конденсатора, бака конденсата греющего пара, бака готового продукта, бака исходного продукта, бака конденсата вторичного пара, насос отвода конденсата греющего пара, насоса отвода готового продукта, насоса подачи исходного продукта, насоса отвода конденсата вторичного пара, вакуумного насоса.

В двухкорпусной выпарной установке подвергают выпариванию сахарный раствор.

Исходный раствор - 12% концентрацией из емкости 7 центробежным насосом подачи исходного продукта подается в регенеративный подогреватель (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем -- в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.

Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом II подается в промежуточную емкость упаренного раствора.

Технологический расчет включает в себя составление и расчет тепловых балансов регенеративного подогревателя, выпарного аппарата первого корпуса, выпарного аппарата второго корпуса, конденсатора.

3. Тепловой баланс аппарата

Выпарная установка для концентрирования сахарного раствора включает в себя следующие аппараты, для которых необходимо написание тепловых балансов: выпарной аппарат первого корпуса, выпарной аппарат второго корпуса, подогревателя, конденсатора.

Рис.6 к составлению теплового баланса подогревателя.

Тепловой баланс подогревателя составляется в виде:

где D - количество пара, кг/с;

- количество подогреваемого пара, кг/с;

- количество подогреваемого концентрированного пара, кг/с;

- производительность по исходному раствору, кг/с;

Рис. 7 к составлению теплового баланса выпарного аппарата первого корпуса

Тепловой баланс выпарного аппарата первого корпуса составляется в виде:

D

D (

D = +

D

где D - количество пара, кг/с;

- производительность по исходному раствору, кг/с;

W- количество выпаренной воды, кг/с;

температура аппарата,

Температура подогревателя принимается на 2-3 градуса ниже температуры в аппарате т.е.:

=- = Теплоемкость С = 4100, Дж/кг

Тепловой баланс выпарного аппарата 2 корпуса составляется в виде

Рис. 8 к составлению теплового баланса выпарного аппарата второго корпуса

Тепловой баланс выпарного аппарата второго корпуса составляется в виде:

(

где D - количество пара, кг/с;

- производительность по исходному раствору, кг/с;

W- количество выпаренной воды, кг/с;

- количество выпаренной воды из первого и второго корпусов, кг/с;

температура первого и второго аппарата,

Тепловой баланс конденсатора составляется в виде

Рис. 9 Тепловой баланс конденсатора

Определение количества выпаренной воды и расхода пара

Материальный баланс по концентрации

Где

- начальный и конечный расход раствора соответственно, кг/с;

- начальная и конечная концентрация раствора соответственно, %.

W =

W= 0.168 (1-)= 0.12 кг/с

4. Технологический расчёт выпарной установки

Данный расчёт включает в себя: написание тепловых балансов аппаратов; определения количества выпариваемой воды и расхода пара; определение расхода охлаждающей воды для конденсатора.

4.1 Тепловые балансы аппаратов

Выпарная установка для концентрирования свекольного сока включает в себя следующие аппараты, для которых необходимо написание тепловых балансов: выпарной аппарат; подогреватель исходного сока; конденсатор; парогенератор.

Тепловой баланс выпарного аппарата

Рисунок 10. К составлению теплового баланса выпарного аппарата

На основании рис. 10 составляется тепловой баланс выпарного аппарата



где S₀=0,027 кг/с - расход по исходному раствору;

D - количество пара, кг/с;

W - количество выпаренной воды, кг/с;

Т_п - температура подогревателя,С;

Т_а - температура аппарата, С;

Т_к - температура конденсата,С;

С_р, С_к - теплоёмкость раствора и конденсата соответственно, Дж/кгК;

i, i, i - теплосодержание греющего пара, вторичного пара и конденсата соответственно, кДж,i = 2579,410 кДж; i = 257410 кДж; i = 179,9910 кДж.

Температура подогревателя Т_п, С, принимается на 2 - 3 градуса ниже температуры в аппарате Т_а, т.е.:

Теплоёмкость сока С_р = 4000, Дж/кгК.

Теплоёмкость конденсата при 43С - С_к = 4174, Дж/кгК.

4.2 Тепловой баланс подогревателя

Рисунок 11. К составлению теплового баланса подогревателя



где S₀=0,027 кг/с - расход по исходному раствору;

W - количество выпаренной воды, кг/с;

Т_пр - начальная температура раствора,С;

Т_а - температура раствора на выходе из аппарата, С;

Т_к - температура конденсата,С;

Ср, Ск - теплоёмкость раствора и конденсата соответственно, Ср = 4000, Дж/кгК, [10, с. 10], теплоёмкость конденсата при 42С, Ск = 4174, Дж/кгК;

i, i - вторичного пара и конденсата соответственно, кДж,i = 257410 кДж; i = 179,9910 кДж.

4.3 Тепловой баланс конденсатора

Рисунок 12. К составлению теплового баланса конденсатора

где W - количество выпаренной воды, кг/с;

Т_вн - начальная температура охлаждающей воды, 15С;

Т_к - температура охлаждающей воды на выходе из аппарата, 20С;

С_в - теплоёмкость охлаждающей воды С_в = 4190, Дж/кгК;

i, i - вторичного пара и конденсата соответственно, кДж,

i = 257410 кДж; i = 179,9910 кДж.

4.4 Определение количества выпаренной воды и расхода пара

Материальный баланс по концентрации

где S₀, S₁ - начальный и конечный расходы раствора соответственно, кг/с;

a_нач,a_кон -начальная и конечная концентрации раствора соответственно, %.

,

где W - количество выпаренной воды, кг/с.

.

кг/с.

Из теплового баланса следует, что расход пара определяется по формуле

Данное количество пара, необходимо затратить на начальной стадии работы аппарата для разогрева аппарата и получения вторичного пара.

4.5 Определение расхода охлаждающей воды конденсатора

Количество охлаждающей воды G, кг/с, которая потребуется для конденсирования пара в конденсаторе, определяется из условий теплового баланса

4.6 Теплотехнический расчёт выпарного блока

Расчёт выпарного блока включает в себя: определение тепловой мощности и размеров выпарного аппарата; расчёт пароструйного эжектора; определение расхода рабочего пара.

Определение тепловой мощности и размеров выпарного аппарата

Тепловая мощность аппарата Q, кВт, определяется по формуле

где S - расход по исходному раствору, кг/с;

С = 4170 Дж/кг - теплоёмкость воды при 40С;

t,t - конечная и начальная температуры раствора, С;

W - количество выпаренной воды, кг/с;

r= 2405.7 кДж - скрытая теплота парообразования при 40С.

Т.к. изначально величины коэффициентов теплоотдачи жидкости и пара, б и б Вт/(мК), соответственно, не известны, то в расчёте предварительно принимается б = 2000 Вт/(мК); б = 2500 Вт/(мК).

В качестве конструкционного материала принимается легированная сталь Х18Н10Т (теплопроводность конструкционного материала л= 12 Вт/мК), толщина теплопередающей стенки принимается д= 0,0015 м, [12].

Определение предварительного значения теплопередачи К, Вт/м.

Определение предварительных значений теплопередающей поверхности F, м, количества греющих трубок, n, шт., и удельную плотность теплового потока q, Вт/ м.

где ?t = 3С - разность температур.

Для определения количества греющих трубок принимаем наружный и внутренний диаметры трубок, d = 0,035м и d = 0,032м, соответственно. Длина трубок принимается l = 3 м.

Определение среднего диаметра греющих трубок d, м.

Далее производится расчёт в котором уточняются значения: К, Вт/м; б, Вт/(мК); F, м; n, шт.; q, Вт/ м.

Определение линейной плотности орошения поверхности Г, кг/мс.

где D - расход пара, кг/с;

П - периметр поверхности, по которой движется плёнка, м.

Определение Критерия Рейнольдса для течения плёнки.

где з = 653,310,Пас,- динамическая вязкость жидкости.

Определение толщины плёнки д, м, стекающей по вертикальной стенке.

где с - плотность жидкости, кг/м, при 43С.

Определение скорости стекания плёнки v, м/с.



Определение Критерия Нуссельта по приведенной толщине плёнки.

где л - теплопроводность теплоносителя, Вт/мК.

=

Определение уточнённого значения б, Вт/(мК).

Определение уточнённого значения К, Вт/м.

Принимаем длину греющих трубок l = 5 м.

Рис.13. Схема расположения трубок в греющей камере.

Определение диаметра корпуса греющей камеры D_к, м.

Шаг разбивки греющих трубок 0,044 м., зазор между стенкой корпуса и крайней трубкой 0,017 м. После расположения трубок в определённом порядке (Рисунок 9) получается D_к = 0,35 м. Диаметр сепаратора принимается равным диаметру греющей камеры D_к =D_с.

Определение высоты греющей камеры

где Н₀ - высота верхней крышки и днища, м.



Высота сепаратора принимается 2,5 метра, без учёта высоты крышки и днища.

Определение расхода рабочего пара и размеров аппарата

Расход рабочего пара D_р, кг/с, определяется по формуле

4.7 Расчёт конструктивных размеров аппарата

Определение количества пара, которое расходуется греющей камерой D_с, кг/с.

Определение количества пара, которое отводится на конденсатор D_отв, кг/с.

Определение выходного сечения f_p1, мм, и его диаметра d₁, мм.

Определение отношения выходного сечения камеры смешения к критическому сечению рабочего сопла

Определение входного сечения f₃, мм, и его диаметра d₃, мм.

При цилиндрической камере смешения входное и выходное сечения равны, f₃ = f₂, а значит, равны и их диаметры, d₃ = d₂.

Вывод

Разработанный выпарной блок для установки по производству концентрированного сахарного раствора представляет собой выпарной аппарат с падающей плёнкой и вынесенной греющей.

Выпарная установка предназначена для производства концентрированного сахарного раствора, а так же может быть использована при выпаривании других жидких пищевых сред, которые схожи по теплофизическим свойствам со сахарного раствора. Данная установка является автономной от линии централизованной подачи пара (котельной, ТЭЦ) и включает в себя следующие элементы: выпарной блок, парогенератор, подогреватель, конденсатор, баковую аппаратуру, подающие насосы и вакуум насос.

Разработанный выпарной блок обеспечивает производство высококачественной продукции, за счёт низкой температуры при выпаривании (t = 40°С), что обеспечивает сохранность витаминов, красящих пигментов и других ценных веществ, при низких затратах энергии, которые составляют по пару 0,25 кг на один килограмм продукта или электроэнергии 0,17 кВт/кг. Всё это позволяет производить высококачественный продукт при низких затратах на производство.

Технические характеристики выпарного блока:

производительность по исходному раствору 100 кг/ч;

теплопередающая поверхность аппарата 15,9 м;

расход греющего пара 100 кг/ч;

греющие трубки

количество 30 шт.,

внутренний диаметр 0,032 м,

длина 5 м;

габаритные размеры

длина 1400 мм;

ширина 1565 мм;

высота 5960 мм.

Список использованных источников

1. Базарнова Ю.Г., Белодедова А.С., Попова Е.А. Натуральные пищевые красители для мучных кондитерских изделий при холодильном хранении. Здоровое питание в 21 веке. № 2, 2004. - 56 с.

2. Берсон Г. З. Овощи на любой вкус. - Екатеринбург: Сред. - Урал. Кн. изд - во, 1993. - 240 с.: ил.

3. Кавецкий Г. Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. - 2е изд. - М.: Колос, 2000. - 551 с.

4. Горбатюк В. И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Колос, 1999 - 335 с.

5. Стабников В. Н., Баранцев В. И. Процессы и аппараты пищевых производств. - 2е изд. - М.: Пищевая промышленность, 1974. - 360 с.

6. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. - М.: Агропромиздат, 1974 - 305 с.

7. Видлер С.И. Выбор, расчёт и применение пароэжекторных вакуум - насосов. Передовой научно - технический и производственный опыт. № 20 - 63 - 319/7, 1963. - 35 с.

8. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: «Химия», 1966. - 640 с.

9. Ривкин С. Л., Александров А. А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - М.: Энергия, 1980. - 424 с.

10. Процессы и аппараты пищевых производств. Методические указания к выполнению лабораторной работы. Расчёт парового кожухотрубного нагревателя для специальности 170600/ Л. А. Минухин; Уральский Государственный Экономический Университет. - Екатеринбург, 1995. - 41 с.

11. Исаченко В. П., Осипова В. А, Сукомел А. С. Теплопередача: учебник для вузов. - 4е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981 - 416 с.

12. Процессы и аппараты пищевых производств. Методические указания к курсовой работе для специальности 170600/ Л. А. Минухин, В. А. Тимкин; Уральский государственный университет. - Екатеринбург, 1995. - 41 с.

13. Лунин О. Г., Вельтищев В. Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1987 - 239 с.

14. Минухин Л. А., Тимофеева С. А. Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств: Учебное пособие. - Екатеринбург: Изд - во УрГЭУ, 1996 - 84 с.

Размещено на Allbest.ru