Теплообменная установка для нагревания молока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Российский государственный аграрный университет - МСХА

имени К.А. Тимирязева

Технологический факультет

Кафедра процессов и аппаратов перерабатывающих производств

Курсовая работа

Теплообменная установка для нагревания молока

Исполнитель:

студентка группы205

техн. факультета

Гущина Екатерина Сергеевна

Преподаватель Стефановский В.М.

Москва 2012 г.



Содержание

Введение

1. Теоретические и методические основы решения задачи

1.1 Теоретические основы решения задачи

1.2 Методические основы решения задачи

2. Основная часть

2.1 Тепловой расчет

2.2 Конструктивный расчет

2.3 Расчет тепловой изоляции

2.4 Гидравлический расчет

3. Подбор насоса

Заключение

Список использованной литературы

Приложение



Введение

Теплотехника - наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин и аппаратов. Теплопередача - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого - либо материала. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики (однако возможно передать тепло от холодного тела с помощью вспомогательных устройств, таких как холодильник). Теплопередачу невозможно остановить, ее можно только замедлить. Существует три простых вида передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них: теплоотдача - конвективный теплообмен между потока жидкости или газа и поверхностью твердого тела; теплопередача - теплообмен от горячей жидкости к холодному через разделяющую их стенку; конвективно-лучистый перенос тепла - совместный перенос тепла излучение и конвекцией.

В данной курсовой работе необходимо подобрать насос для поднятия молока на определенную высоту. Молоко - жидкость, выработанное секрецией молочной железы выращенных на ферме животных. Молоко содержит много питательных минеральных веществ необходимых организму, таких как кальций, магний, калий, натрий, фосфор, хлор и сера, а также соли -- фосфаты, цитраты и хлориды, и используется для приготовления пищи в основном различных круп (на молоке варится каша).

Для того чтобы подобрать насос, необходимо провести тепловой, конструктивный, гидравлический расчеты и расчет тепловой изоляции для кожухотрубного теплообменного аппарата.

1. Теоретические и методические основы решения задачи

1.1 Теоретические основы решения задачи

Перед выполнением расчета необходимо произвести обоснованный выбор наиболее целесообразного типа аппарата.

При выборе типа теплообменного аппарата следует учитывать назначение аппарата, цель тепловой обработки, свойства обрабатываемого продукта, свойства теплоносителя, давление, при котором осуществляется процесс, производительность, возможность механической или химической чистки поверхности нагрева от накипи и загрязнений. Часто не последнюю роль при выборе типа аппарата играют традиции, сложившиеся в той или иной отрасли промышленности, а, следовательно, опыт эксплуатации определенных типов аппаратов.

Далее следует дать обоснованные выбору направления движения теплоносителей с учетом их свойств и температур, с целью более полного использования рабочей среды(горячего теплоносителя или хладагента), для обеспечения более интенсивного процесса, минимальных потерь тепла(или холода) и удобства чистки аппарата.

Выбор материала для изготовления аппарата следует производить с учетом свойств пищевой среды или теплоносителей и обеспечение наиболее интенсивной передачи теплоты.

На принципиальной схеме аппарата необходимо показать движение обоих теплоносителей.

Первым этапом при выполнении проектного расчета аппарата нужно определить площадь поверхности нагрева, сделать, так называемый, тепловой расчет.

Вторым этапом выполняется конструктивный расчет, который имеет свои особенности для каждого типа аппарата.

Третий этап - обоснование и расчет теплоизоляции.

Четвертый этап - гидравлический расчет- определение потерь энергии, возникающих при прохождении теплоносителя через аппарат. Этот расчет позволяет оценить оптимальность режима работы и выбранной конструкции аппарата.

По окончании курсовой работы вычерчивается аппарат с указанием основных размеров.

1.2 Методические основы решения задачи

Тепловой расчет

Расчет теплового потока

Количество теплоты, которое необходимо передать среде (или отвести от нее) производится по уравнению теплового баланса.

Методика определения количества переданной теплоты зависит от агрегатного состояния теплоносителя, между которыми осуществляется теплообмен.

Нагревание и охлаждение без изменения агрегатного состояния теплоносителей

Тепловой поток, передаваемый от горячего теплоносителя к холодному, определяется из уравнения теплового баланса

Где M1 и M2 - массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителя, кг/сек;

V1 и V2 - объемный расход соответственно горячего и холодного теплоносителя, м³/сек

??1 и ??2 - плотность соответственно горячего и холодного теплоносителя, кг/м³;

С1 и С2 - массовая теплоемкость при постоянном давлении соответственно горячего и холодного теплоносителя, Дж/(кг град);

t1н и t1k - начальная и конечная температура горячего теплоносителя, градC

t2н и t2k - начальная и конечная температура холодного теплоносителя, градС

Qпот - потери теплоты в окружающую среду, Вт.

Нагревание с изменением агрегатного состояния теплоносителя

При нагревании пищевой среды конденсирующимся паром уравнение теплового баланса имеет вид:

D(iп - сконд tконд)=M2C2 (t2k-t2H)+Qпот, Вт (4)

где D - расход греющего пара, подаваемого в аппарат за единицу времени, кг/сек;

iп - энтальпия пара, поступающего в аппарат, Дж/кг;

сконд - теплоемкость конденсата, выходящего из аппарата, Дж/(кг С);

tконд - температура конденсата, выходящего из аппарата, градС

Стремясь максимально использовать поверхность теплообмена, этапы охлаждения в теплообменнике перегретого пара и образовавшегося конденсата исключают, когда уравнение теплового баланса(4) принимает вид:

Dr=M2C2 (t2k-t2H)+Qпот, Вт (5)

где r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

Расчет среднего температурного напора

Характер изменения температур теплоносителей в процессе прохождения через аппарат (рис.1) зависит от особенностей процессов теплоотдачи, вида, расхода теплоносителей и направления их движения (схемы: прямоток, противоток, перекрестный ток или смешанный ток).

Для определения среднего температурного напора ?tср между горячим и холодным теплоносителями необходимо предварительно, в соответствии с выбранным направлением движения теплоносителей, построить диаграмму изменения температур и рассчитать ?tср по следующим формулам:

Расчет общего коэффициента теплопередачи

Согласно теории теплообмена коэффициент теплопередачи для плоской стенки рассчитывают по формуле



где б2 - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к омываемой поверхности стенки, Вт/(м²град);

д i - толщина стенки (слоя накипи, слоя ржавчины или загрязнений), м;

л i - коэффициент теплопроводности материала (стенки трубы, слоя накипи, слоя ржавчины или загрязнений), Вт/(м град);

d1 и d2 - внутренний и внешний диаметры трубы соответственно, м;

Связь между k и kL определяется соотношением:

K=

Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя

При развитом турбулентном режиме течения теплоносителя в прямых трубах (Re>10000) уравнение подобия имеет вид:

где S - площадь живого сечения потока, м²;

П- смоченный периметр, м

Для труб круглого сечения dэкв = dвнутр

Для канала кольцевого сечения эквивалентный диаметр равен

dэкв = (Dвнутр - dнаружн),

где Dвнутр - внутренний диаметр "большой" трубы,

dнаружн - наружный диаметр "малой" трубы.

При вычислении критериев Re, Pr и Nu значения физических констант жидкости выбирают из таблиц при так называемой определяющей температуре. В данном случае в качестве определяющей температуры принята средняя арифметическая температура жидкости(газа).

При движении потока вдоль плоской стенки для расчета коэффициента теплоотдачи при Re >10000 рекомендуется следующее приближенное уравнение:

В уравнении физических констант берутся при начальной температуре теплоносителя. В качестве характерного размера l принимается длина теплоотдающей стенки в направлении движения потока.

Если режим движения теплоносителя внутри прямой трубы ламинарный (Re< 2320), то для расчета коэффициента теплоотдачи используется следующее уравнение подобия:

Nu = 0,15 Re0,33 Gr0,3 Pr0,43()0,25

При Re<105 рекомендуется уравнение:

Nu = 0,76 Re0,5 Pr0,43()0,25

При переходном режиме(2320<Re<10000) расчет коэффициента теплоотдачи рекомендуется производить по графику (рис. 2).



Расчет тепловой поверхности теплопередачи

Расчет площади поверхности теплопередачи производится в соответствии с уравнением:

Поверхность теплообмена (в м²) рассчитана без учета тепла (или холода) в окружающую среду и, следовательно, будет меньше поверхности, которая обеспечит реальные условия работы аппарата.

Для расчета реальной поверхности необходимо дополнительно знать также Qпот - тепловой поток, теряемый аппаратом в окружающую среду. Это требует знания площади внешней поверхности аппарата и условий теплообмена между корпусом и окружающей средой.

Конструктивный расчет

Конструктивный расчет сводится к определению основных размеров аппарата, он имеет особенности для каждого типа теплообменников.

Для определения основных габаритных размеров аппарата необходимо в первую очередь рассчитать сечения для прохода теплоносителей, пользуясь уравнением расхода

V=S u (21)

где V - объемный расход теплоносителя, м3/сек;

S - площадь поперечного сечения потока теплоносителя, м2;

U - средняя скорость движения теплоносителя, м/сек.

Уравнение(21) можно выразить через массовый расход теплоносителя:

M = S u??

где M - массовый расход теплоносителя, кг/сек;

?? - плотность теплоносителя, кг/м³;

U?? - произведение этих величин называют массовая скорость теплоносителя, кг/(м² сек).

Выбор скорости теплоносителя

Скорость движения жидких теплоносителей в аппаратах принимают:

В трубах- 1ч2 м/сек, в межтрубном пространстве - 0,2 ч 0,6 м/сек. Если в продукте содержится твердая примесь, то скорость следует принимать не менее 1,5 м/сек, чтоб предотвратить осаждение. При выборе скорости необходимо учитывать вязкость теплоносителя.

Скорость движения газа в трубах принимают: 15 ч 20 м/сек.

Скорость движения пара внутри труб принимают - до 50 м/сек

Определения основных размеров аппарата

В соответствии с принятой скоростью теплоносителей и заменой в уравнении площади поперечного сечения для прохода теплоносителя, выражений, например, через диаметр d трубы.



(23)

Получим формулу для расчета диаметра патрубков для входа и выхода теплоносителей (в м)

(24)

Где ?? - плотность теплоносителя на входе (для входного патрубка) или на выходе из аппарата, определяется по таблицам в зависимости от начальной или конечной температуры теплоносителя, кг/м³.

u - скорость теплоносителя на входе или на выходе из аппарата; скорость на входе принимается в пределах рекомендованных значений скоростей теплоносителей в трубах; скорость на выходе меньше скорости на входе за счет гидравлических сопротивлений аппарата.

Длина патрубков определяется:

(25)

Кожухотрубные теплообменные аппараты

Конструктивный расчет кожухотребных аппаратов сводится к определению числа труб, размещению их в трубны 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.

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

м

откуда длина одной трубки

где dср - средний расчетный диаметр труб, определяется в зависимости от соотношения б1 и б2:

если б1 > б2 dср = dнаруж

если б1 ? б2 dср =0,5(dнаруж +dвнутр)

если б1 < б2 dср = dвнутр

Рекомендуется делать трубы длиной Lдопуск не более 4 м. При поверхности теплообмена более 300 м² длину выбирают до 6 м.

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



а общее число труб (длиной Lдопуск) в аппарате

nобщ = n m

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

Трубы в трубных решетках чаще размещают по вершинам правильных шестиугольников (рис. 3).

Рис. 3

nобщ = 3a(a - 1) +1;

b = 2a - 1;

nобщ = (b2 - 1) +1,

где nобщ - общее число труб в решетке;

b - число труб по диагонали шестиугольника

a - число труб в стороне шестиугольника

Нормалями НИИХИММАШАа рекомендуется следующее соответствие шага (расстояние между осями двух соседних труб) t и диаметрами труб (таблица 6)

Соответствие шага и диаметра труб

Диаметры dнар/dвнутр , мм	25/21	38/36	57/52
Шаг t , мм	32	48	70



Диаметр окружности D', на которой размещают крайние трубки, определяется по уравнению:

D' = t (b - 1), м

Внутренний диаметр корпуса одноходового теплообменника принимается

Dk ? D' + (3ч4) dнар, м

При расчете кожухотрубных теплообменных аппаратов может получиться, что для обеспечения условия задания необходим теплообменник с небольшим числом очень длинных трубок. В этом случае целесообразно проектировать многоходовые аппараты.

Расчет тепловой изоляции

После завершения теплового и конструктивного расчетов следует обосновать необходимость применения тепловой изоляции и решить вопрос о том, какую часть внешней поверхности корпуса теплообменника надо покрывать слоем изоляционного материала.

Условия, при которых нанесение тепловой изоляции не требуется

Во-первых, необходимо учитывать требования техники безопасности:

Наружная стенка аппарата не должна иметь температуру выше 35ч40°С, а температура в цехе не должна намного отличаться от 20°С для обеспечения нормальных условий работы обслуживающего персонала.

Во-вторых, надо сопоставить полезный тепловой поток Q c Qпот - тепловым потоком, теряемым в окружающую среду неизолированный внешней поверхностью аппарата. Расчет Qпот производят по уравнению теплоотдачи:



Qпот = б3Fk (tст - tвозд), Вт

где б3 - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху помещения, Вт/(м²град).

Fk - площадь поверхности внешней трубы (диаметром Dнар), м²;

tст - температура наружной поверхности внешней трубы, °С(35°С);

tвозд - средняя температура воздуха в помещении цеха, °С(20°С).

Коэффициент теплоотдачи б3 рассчитывают по уравнению подобия для теплоотдачи при свободном движении жидкости (воздуха)

Nu = c( Gr Pr)n (44)

Значения с и n в уравнении(44) для отдельных участков различны и являются функцией аргумента ( Gr Pr) . Их значения приведены в таблице 7.

Значения с и n в формуле (44)

(Gr Pr)	С	N
1·10-3…5·102	1,18	1/8
5·102…2·107	0,54	ј
2·107…1·1013	0,135	1/3

При вычислении чисел Nu = и Gr= в ?t за характерный размер L, входящий в качестве линейного размера в критерии подобия, принят для труб - их диаметр.

В качестве определяющей температуры3 принята средняя температура пограничного слоя

tm = ,



где tсм - температура наружной поверхности аппарата (внешней трубы); tвозд - температура воздуха вне зоны, охваченной процессом.

В случае, если требования техники безопасности выполняются и потери теплоты Qпот незначительны (менее 5% от сообщаемой продукту теплоты Q),то изоляцию можно не устанавливать. Более точный ответ о целесообразности изоляции может дать сравнительный экономический расчет стоимости тепла и расходов на изоляцию.

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 диз , 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

б3 - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенкам канала кольцевого сечения, Вт/(м² °С);

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

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

лиз - коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/(м°С);

k - 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 лиз. В качестве первого приближения задаются толщиной слоя изоляции, например, диз = 0,20 м и рассчитывают наружный диаметр заизолированной трубы Dиз =Dнар +2 диз.

Затем по уравнению (44) вычисляют коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху б3. Если температуры поверхности изоляции воздуха принять соответственно 35⁰С и 20⁰С, то можно воспользоваться вычисленным ранее значением б3.

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

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

После подстановки значений б1, б3, лст, лиз, k в уравнении (46) рассчитывают величину диз 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 лиз.

Допускаемые потери теплоты при наличии изоляции Qпотиз составят:

Qпотиз = б3 Fиз (tиз - tвозд), Вт (49)

где tиз - температура наружной поверхности слоя изоляции, °С(tиз = 35°С);

Fиз - 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 = о (), м

Где о(кси) - коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина);

L - длина прямолинейного участка при движении, м;

d- эквивалентный диаметр канала, м;

u - скорость движения теплоносителя, м/сек;

g - ускорение свободного падения, (9,8 м/сек).

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

о =

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

о=

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

о =()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;

· низкие капиталовложения в силу приемлемых затрат на производство;

· простота в чистке, разборке.

2.1 Тепловой расчет

Данные:

1. Кинематическая вязкость продукта (молоко):

н=0,7*10 -6 м²/с;

2. Плотность продукта (молоко):

с=1010 кг/м³;

3. Удельная теплоемкость продукта (молоко):

С=3,85 кДж/кг°С;

4. Теплопроводность продукта (молоко):

л=0.51 Вт/м²град;

5. Объемный расход продукта (молоко):

V=3 м³/кг;

6. Начальная температура продукта (молоко):

t =12°С;

7. Конечная температура продукта (молоко):

t=75°С;

8. Начальная температура теплоносителя (вода):

t=96°С;

9. Массовый расход теплоносителя (вода):

М=2800 кг/ч.

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

Q=kFДt, Вт (1)

откуда поверхность нагрева (в м):

F= (2)

где Q - тепловой поток, переданный холодному теплоносителю, Вт;

k- 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:

При развитом турбулентном режиме течения теплоносителя в прямых трубах Re>10000.



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=kFДt, 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:

2.2 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:

n=

где M - массовый расход теплоносителя, кг/сек.

dпатруб = = 0,02, м

lпатруб = (1,5ч2)dпатруб=2·0,02=0,04, м

n= = =1



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

F=р dср l n, м²

откуда длина одной трубки,

l== =16, м

где dср - средний расчетный диаметр труб, определяется в зависимости от соотношения б1 и б2: если б1 = 4267,56, а б2 = 4377 , то б2 > б1, тогда dср = dвнут

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

m===4

а общее число труб в аппарате

nобщ= 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

nобщ = 3а(а - 1)+1

b= 2а-1

nобщ = ѕ (b2 - 1) +1

b = = = 2,2?3

а===2

В соответствии шага и диаметра труб, получаем, что шаг t=32 (по нормалям НИИХИММАШа)

D' =t(b - 1)= 32(3 -1)= 64, м

Dк? D'+(3ч4)dнар = 64+4·0,025 =64,1

2.3 Расчет тепловой изоляции

Сначала необходимо определить критерий Грасгофа, что для воздуха

,

где знаменатель означает перевод температуры из градус Цельсия в градус Кельвина, ускорение свободного падения

g=9,81 м/с2,м

по стандарту, , н=15,06•10-6 м²/с получим:

Определим величину произведения критериев Грасгофа и Прандтля, учитывая, что для воздуха, при устоявшейся температуре в окружающей среде 27,5 (рассчитывают по формуле определяющей температуры



Где

tст - температура наружной поверхности аппарата (внешней трубы);

tвозд - температура воздуха вне зоны, охваченной процессом), критерий Прандтля

Где

c и n числовые значения, зависящие от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, определяемые по справочным таблицам, и соответственно c=0,54 и n=1/4, тогда:

Определив критерий Нуссельта, можно определить коэффициент теплоотдачи по формуле, учитывая что коэффициент теплопроводности воздуха при 27,5 (tвозд=27,5), лв=2,59•10-2;

Находим площадь поверхности внешней трубы теплообменника:



Теперь мы можем найти величину теплового потока, теряемого в окружающую среду неизолированной внешней поверхностью корпуса теплообменника по уравнению:

где температура стальной стенки принимается равной средней температуре теплоносителя (вода), т.е. 80

Что составляет 3,3% от действительного значения теплового потока, переданного холодному теплоносителю, что не превышает 5%, следовательно, использование тепловой изоляции экономически не целесообразно. Учитывая, что температура внешней стенки внешней трубы составляет 80, что превышает допустимое значение на 40, для обеспечения безопасности эксплуатации теплообменной установки, необходима тепловая изоляция. Расчет толщины теплоизоляции представлен ниже.

Определим допускаемые при наличии изоляции потери тепла:

где tиз - температура изоляции, которая не должна превышать 35?С, поэтому для расчета принимаем tиз=35?С;

Определяем коэффициент теплопередачи через стенку наружной трубы:



где - площадь поверхности изоляции, которая примерно равна ; - средний температурный напор, определяемый в данном случае по формуле:

При этом получим:

Определим толщину слоя изоляции:

где лиз - коэффициент теплопроводности материала изоляции;

дст - стандартная толщина стенки наружной трубы, дст=0,003 м=3 мм.

Материал изоляции - минеральная вата (лист и ковер).



2.4 Гидравлический расчет

Целью гидравлического расчета является определение потерь напора (в м) или потерь давления (в H/ м²) теплоносителя при прохождении через теплообменный аппарат и выбор средств для транспортировки теплоносителя.

Потери напора (давления) складываются из потерь на преодоление трения теплоносителя о стенки прямолинейных участков каналов , потерь на преодоление местных сопротивлений и статического напора Нст.

1. Необходимо определить потери напора на трение, которые рассчитываются по формуле:

где о(кси) - коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина);

l - длина прямоугольного участка при движении, м;

d - эквивалентный диаметр канала, м;

u - скорость движения теплоносителя м/сек;

g - ускорение свободного падения, (9 м/сек²).

При турбулентном режиме движения жидкости (Re=3•103ч-1•105) можно применять формулу:



2. Определим потери напора на преодоление местных сопротивлений:

где жi (дзета) - коэффициент местного сопротивления для i-го сопротивления (безразмерная величина).

Перечислим все местные сопротивления, и количество раз, которое они встречаются в конструкции:

вентили - ж=6, встречается 2 вентиля;

колено под углом 90? - ж=1,1, встречается 3 раза;

вход в трубу - ж=0,2, встречается 1 раз;

выход из трубы - ж=1, встречается 1 раз.

Сложив все произведения коэффициентов местных сопротивлений и повторностей получим, что , тогда

3. Статистический напор равен:

Где

Z1 и Z2 - соответствующие высоты над плоскостью сравнения, м;

p2 и p1- соответствующие давления над поверхностью жидкости в нижнем и верхнем сосуде, H/м².

4. Мощность нагнетателя (насоса) для перемещения теплоносителя через аппарат определим по формуле:



3. Подбор насоса

Пищевые насосы - вид специального оборудования, что предназначен для перекачки как нейтральных, так и высокоагрессивных жидкостей из бочек, контейнеров и других емкостей. Пищевые насосы находят широкое применение в химической, пищевой, фармацевтической и косметической промышленности.

К основным видам пищевых насосов относятся:

· бочковые насосы;

· диафрагменные насосы;

· винтовые насосы;

· вертикальные насосы;

· дозировочные насосы;

· кулачковые насосы;

· центробежные насосы для установки в линию;

· шестеренные насосы;

· вакуумные насосы;

· самовсасывающие насосы;

· мембранные насосы;

· перистальтические насосы.

Пищевыми насосами можно безопасно, надежно, и бережно перекачивать высоковязкие среды с твердыми частицами, легко воспламеняющиеся материалы или жидкости с высоким содержанием газа. основное преимущество насоса - надежность работы "всухую" и идеальны для эксплуатации во взрывоопасных помещениях. Корпус пищевых насосов может быть изготовлен из различных видов нержавеющей стали, так и из различных пищевых полимерных материалов.

Имея все необходимые характеристики гидравлической силы, мы можем подобрать насос. Учитывая необходимую мощность, напор и пищевую среду (молоко) выбираем насос:

Роторный самовсасывающий насос типа ОНР

Предназначен для вязких пищевых жидкостей

Технические данные насоса: Рабочая температура: от -20°С до +105°С Диаметр патрубков - 42 мм Подача от 0,1 до 5 м³/ч Давление до 1,6 кг/см² Максимальное давление в корпусе - до 8 кгс/см² Высота самовсасывания до 4м. Внешняя утечка через торцовое уплотнение - не более 0,5 см³/ч.

Область применения насоса: Подъем и перекачивание воды, молока, пива, вина, спирта, сока, подсолнечного масла, моющих средств и дезинфицирующих растворов (2-3% кислот и щелочей) и т.д., а также газосодержащих жидкостей. Работа под вакуумом. Температура перекачиваемой жидкости от -20°С до +105°С Плотность до 1,6 г/см³ Вязкость до 2500 сСт

Особые преимущества насоса: - самовсасывание вязких жидкостей - малогабаритный - быстроразъемный корпус, обеспечивающий доступ к проточной части насоса - материал проточной части - нержавеющая сталь, ротор - пищевая резина - надежное торцовое уплотнение фирмы John Crane - возможность комплектации двигателем взрывозащищенного исполнения - проточная часть насоса выполнена из нержавеющей стали 12Х18Н9Т

Технология насоса: Ротор и неподвижные уплотнения из эластомеров, состав которых зависит от назначения насоса по перекачиваемой среде. Торцовое уплотнение вала насоса - сильфонное фирмы "Джон Крейн" (Англия).

Материал проточной части насоса: Материал проточной части - нержавеющая сталь, ротор - пищевая резина. Нержавеющая сталь 12Х18Н9Т.



Заключение

В курсовой работе произведен расчет теплообменного аппарата для нагрева молока.

Выполнив данную курсовую работу, мы приобрели умения и навыки, позволяющие осуществлять техническую реализацию и инженерные расчеты, связанные с грамотной эксплуатацией теплоиспользующих установок, в том числе и касающихся транспортирования жидких пищевых сред по трубопроводам с помощью насосов.

В данной курсовой работе такой средой являлось молоко. Проделав все необходимые расчеты такие, как тепловой, конструктивный, гидравлический и расчет тепловой изоляции, рассчитав все необходимые параметры, мы установили, что наиболее приемлемым насосом для перекачивания данного молока подходит роторный самовсасывающий насос марки ОНР 3/10К-0,55/6.



Список использованной литературы

1. Теплотехника. Методические указания / В.М. Стефановский. М.: изд-во РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, 2012. 52 с.

2. Теплотехника. Учеб. для вузов / В.А. Гуляев, Б.А. Вороненко, Л.М. Корнюшко и др. - СПб.: изд-во "РАПП", 2009. - 352 с.

3. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высш. шк., 2008. - 671 с.



Приложение

Таблица П-1

Физические свойства водяного пара на линии насыщения

Таблица П-2

Физические свойства воды на линии насыщения



Таблица П-3

Физические свойства сухого воздуха при В=760 мм рт. ст.

Таблица П-4

Трубы стальные бесшовные

Коэффициент теплопроводности углеродистой стали лст = 46 Вт/(м°К);- нержавеющей стали лст = 15 Вт/(м°К)



Таблица П-5

Теплоизоляционные материалы и их характеристики

Таблица П-6

Коэффициенты местных сопротивлений

молоко насос трубопровод изоляция



Размещено на Allbest.ru