Смекни!
smekni.com

Проект теплообмінного апарату типу "труба в трубі" (стр. 2 из 2)

ρ1 - густина води при температурі 65ºС, становить 980,5 кг / м3.

dе – еквівалентний діаметр, який визначається за формулою

dе = Dв – dз = 0,09 – 0,044 = 0,046

Re1 = (1,2 · 0,046 · 980,5) / 0,438 · 10-3 = 54,12 / 0,438 · 10-3 =123562

Режим руху води турбулентний, критеріальне рівняння для визначення критерію Нусельта має вигляд:

Nu1 = 0,023 · Re10,8 · Pr10,4 · ( Dв / dз )0,45,

де Pr1 – критерій Прандтля для води, який визначається за формулою

Pr1 = ( с1 · μ1) / λ1,

λ1 – коефіцієнт теплопровідності води, λ1 = 664·10-3 Вт / (м·К);

Pr1 = ( 4185 · 0,438·10-3 ) / 664·10-3 = 2,76

(Dв / dз)0,45 = (0,09 / 0,044)0,45 = 1,38

Nu1 = 0,023 · 1235620,8 · 2,760,4 ·1,38 = 0,023 · 11844 · 1,5 · 1,38 = 564

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від конденсату до стінки

α1 = ( Nu1 · λ1 ) / dе = (564 · 664·10-3) / 0,046 = 8141,2 Вт/(м2 · К)

Визначення коефіцієнта теплопередачі

К = 1 / (1/α1 + δ/λст + 1/α2)

Приймаємо, що труби виготовлені з нержавіючої сталі, тоді коефіцієнт теплопровідності становить λ ст = 17,5 Вт/(м·К), а товщина стінки δ = 0,002м.

К = 1 / (1/8141,2 + 0,002/17,5 + 1/3849) = 1 / (0,00012 + 0,00012 + +0,00025) = 1 / 0,00049 = 2041 Вт/ (м2·К)

Визначення площі поверхні теплообмінника

F = Q / ( К · Δtср ) = 470165 / (2041 · 18,2) = 12,6 м2

3.2 Конструктивний розрахунок

Визначення діаметра внутрішньої труби

dв = √(4· G2 ) / (π · ρ2 ·w2) = √(4· 1,6) / (3,14 · 1026,08 · 1,1) = 0,04 м

Визначення загальної довжини труби l = (F / 3,54) · √(w2 · ρ2)/G2 = (12,6/3,54) · √(1,1·1026,08)/1,6 = 95,76м

Визначення кількості елементів теплообмінника

n = l / l1,

де l1 – довжина труби одного змієвика.

Приймаємо, що довжина труби одного змієвика дорівнює 7 м. Тоді кількість елементів теплообмінника становить

n = 95,76/ 7 = 13,68 ≈ 14

Визначення внутрішнього діаметра зовнішньої труби

Dв = √(4 · υ) / (π · w1) + dз = √(4 · 0,0023) / (3,14 · 1,2) + 0,044 = 0,09 м

Визначення об`ємних витрат рідини

υ = G1 / ρ1 = 2,25 / 980,5 = 0,0023 м3

Визначення діаметра патрубків:

- патрубок на вході води

dв.вх = 1,13√ G1 / (ρ · w1) = 1,13√2,25 / (965 · 1,2) = 0,048 м

- патрубок на виході води

dв.вих = 1,13√ G1 / (ρ · w1) = 1,13√2,25 / (992 · 1,2) = 0,049 м

- патрубок на вході бульйону

dб.вх = 1,13√ G2 / (ρ · w2) = 1,13√1,6 / (1026 · 1,2) = 0,041 м

- патрубок на виході бульйону

dб.вих = 1,13√ G2 / (ρ · w2) = 1,13√1,6 / (1026,1 · 1,2) = 0,04 м

3.3 Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Цей розрахунок потрібний для визначення потужності насосів для бульйону та води, а також для встановлення оптимального режиму роботи теплообмінника.

Провіряємо умову вибору рівняння для розрахунку коефіцієнта тертя бульйону λ.

Так як

Re > 500 dв/Δ,

де Δ – абсолютна шорсткість, яка для нових труб з нержавіючої сталі дорівнює 0,06 мм. Коефіцієнт опору тертя розраховуємо за формулою

λ = 0,11 · (Δ/dв)0,25

λ = 0,11 · ( 0,06/0,04)0,25 = 0,12

Приймаємо слідуючи місцеві опори на шляху руху бульйону:

∑ξ = ξ1 + ξ2 + ξ3,

де ξ1 = 1 – вхід в трубу;

ξ2 = 2 – поворот на 180º через коліно;

ξ1 = 1 – вихід з труби.

∑ξ = 1 + 2 · 13 + 1 = 28

Знаходимо повний гідравлічний опір, який складається із втрат тиску на подолання опору тертя і на подолання місцевих опорів:

Δр = Δртр + Δрм.с = (λ · (l / dв) + ∑ξ) · (w22· ρ2)/2,


де λ – коефіцієнт опору тертя;

l – довжина труби;

dв – діаметр труби;

ρ2 - густина кісткового бульйону при температурі 45º;

w2 – швидкість руху бульйону.

Δр = ( 0,12 · (96,76/0,04) + 28 ) · (1,12 · 1026,08)/2 = 318,3 · 620,8 = =197601 Па

Потужність, що потрібна для переміщення теплоносія через апарат:

N = (υ · Δр) / η,

де η – коефіцієнт корисної дії насоса, який приймаємо рівним 0,8.

N = ( 0,0023 · 197601) / 0,8 = 568 Вт

3.4 Розрахунок теплової ізоляції

Теплова ізоляція – один із основних факторів, які необхідні для безпечної, продуктивної та економічно вигідної роботи теплообмінника.

Для розрахунку теплової ізоляції приймаємо наступні значення:

tі = 40ºС – температура на поверхні ізоляції;

tп = 20ºС – температура повітря;

tа = 88ºС – температура в апараті.

λ = 0,047 – коефіцієнт теплопровідності для теплової ізоляції.

Знаходимо сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря:

α = 9,76 + 0,07 ( tі – tп ) = 9,76 + 0,07 ( 40 – 20 ) = 11,16 Вт/м2·К

Товщина теплової ізоляції:

δ = (λ · ( tа – tі )) / (α · ( tі – tп )) = (0,047 · (88 – 40)) / (11,16 · (40 – 20 )) = 0,01 м

4. Техніко-економічні показники роботи апарату

Визначаємо амортизаційні витрати

Ка = F · СF · а,

де F – площа теплообміну;

СFвартість 1 м2 поверхні теплообміну апарата, яка складає 1000грн/м2;

а – річна частина амортизаційних відрахувань, яка становить 0,08%.

Ка = 12,6 · 1000 · 0,08 = 1008 грн/рік

Визначаємо експлуатаційні витрати

Ке = N · Се · τ,

де N – потужність електродвигуна насоса;

Се – вартість 1 кВт·год електроенергії, яка становить 0,6грн/(кВт·год);

τ – кількість годин роботи теплообмінника за рік, яка складає 5460год.

Ке = 0,568 · 0,6 · 5460 = 1861 грн/рік

Отже, сумарні затрати складають

К = Ка + Ке = 1008 + 1861 = 2869 грн/рік

Розрахунок оптимального режиму і конструкції апарата

Для побудови графіка оптимізації і вибору оптимальної швидкості руху продукту були проведені розрахунки амортизаційних, експлуатаційних та сумарних витрат при різних швидкостях руху продукту:

w1 = 0,2 м/с ; w2 = 1,2 м/с; w3 = 1,8 м/с

При w1 = 0,2 м/с

dв = √(4· 1,6) / (3,14 · 1026,08 · 0,2) = √ 6,4 / 644 = 0,099 м

Re = (0,2 · 0,099 · 1026,08) / 2,4 · 10-3 = 20,3 / 2,4 · 10-3 = 8458

Pr = (3998 · 2,4·10-3) / 616,37·10-3 = 15,6

(Dв / dз)0,45 = (0,152 / 0,103)0,45 = 1,2

Nu = 0,023 · 84580,8 · 15,60,4 ·1,2 = 0,023 · 1386 · 3 · 1,2 = 114,8

α2 = (114,8 · 616,37·10-3) / 0,099 = 714 Вт/(м2 · К)

К = 1 / (1/6992 + 0,002/17,5 + 1/714) = 1 / (0,00014 + 0,00012 + 0,0014) = =1 / 0,00166 = 602,4 Вт/ (м2·К)

F = 470165 / (602,4 · 18,2) = 42,9 м2

l = (42,9/3,54) · √(0,2·1026,08)/1,6 = 137 м

n = 137 / 7 = 19,6 ≈ 20

∑ξ = 1 + 2 · 19 + 1 = 40

λ = 0,11 · ( 0,06/0,099)0,25 = 0,097

Δр = ( 0,097 · (137/0,099) + 40 ) · (0,22 · 1026,08)/2 = 174 · 21 = 3654Па

N = ( 0,0023 · 3654) / 0,8 = 11 Вт

Ка = 42,9 · 1000 · 0,08 = 3432 грн/рік

Ке = 0,011 · 0,6 · 5460 = 36 грн/рік

К = Ка + Ке = 3432 + 36 = 3468 грн/рік

При w1 = 1,2 м/с

dв = √(4· 1,6) / (3,14 · 1026,08 · 1,2) = √ 6,4 / 3866,2 = 0,04 м

Re = (1,2 · 0,04 · 1026,08) / 2,4 · 10-3 = 49,25 / 2,4 · 10-3 = 20521

Pr = (3998 · 2,4·10-3) / 616,37·10-3 = 15,6

(Dв / dз)0,45 = (0,09 / 0,044)0,45 = 1,38

Nu = 0,023 · 205210,8 · 15,60,4 ·1,38 = 0,023 · 2816,8 · 3 · 1,38 = 268,2

α2 = (268,2 · 616,37·10-3) / 0,04 = 4132,8 Вт/(м2 · К)

К = 1 / (1/8138,3 + 0,002/17,5 + 1/4132,8) = 1 / (0,00012 + 0,00012 + +0,00024) = 1 / 0,00048 = 2083,3 Вт/ (м2·К)

F = 470165 / (2083,3 · 18,2) = 12,4 м2

l = (12,4/3,54) · √(1,2·1026,08)/1,6 = 96,95 м

n = 96,95 / 7 = 13,85 ≈ 14

∑ξ = 1 + 2 · 13 + 1 = 28

λ = 0,11 · ( 0,06/0,04)0,25 = 0,12

Δр = ( 0,12 · (96,95/0,04) + 28 ) · (1,22 · 1026,08)/2 = 318,85 · 738,8 = =235566,4 Па

N = ( 0,0023 · 235566,4) / 0,8 = 541 Вт

Ка = 12,4 · 1000 · 0,08 = 992 грн/рік

Ке = 0,541 · 0,6 · 5460 = 1772,3 грн/рік

К = Ка + Ке = 992 + 1772,3 = 2764,3 грн/рік

При w1 = 1,8 м/с

dв = √(4· 1,6) / (3,14 · 1026,08 · 1,8) = √ 6,4 / 5799 = 0,03 м

Re = (1,8 · 0,03 · 1026,08) / 2,4 · 10-3 = 55,4 / 2,4 · 10-3 = 23083

Pr = (3998 · 2,4·10-3) / 616,37·10-3 = 15,6

(Dв / dз)0,45 = (0,083 / 0,034)0,45 = 1,5

Nu = 0,023 · 230830,8 · 15,60,4 ·1,3 = 0,023 · 3095 · 3 · 1,5 = 320

α2 = (320· 616,37·10-3) / 0,03 = 6571 Вт/(м2 · К)

К = 1 / (1/8736 + 0,002/17,5 + 1/6571) = 1 / (0,00011 + 0,00012 + +0,00015) = 1 / 0,00038 = 2632Вт/ (м2·К)

F = Q / ( К · Δtср ) = 470165 / (2632 · 18,2) = 9,8 м2

l = (9,8/3,54) · √(1,8·1026,08)/1,6 = 95,2 м

n = 95,2 / 7 = 13,6 ≈ 14

∑ξ = 1 + 2 · 13 + 1 = 28

λ = 0,11 · ( 0,06/0,03)0,25 = 0,13

Δр = ( 0,13 · (95,2/0,03) + 28 ) · (1,82 · 1026,08)/2 = 441 · 1662=732942Па

N = ( 0,0023 · 732942) / 0,8 = 2107 Вт

Ка = 9,8 · 1000 · 0,08 = 784 грн/рік

Ке = 2,107 · 0,6 · 5460 = 6903грн/рік

К = Ка + Ке = 784 + 6903 = 7687 грн/рік

При w1 = 0,2 м/с

dв = √(4· 1,6) / (3,14 · 1026,08 · 0,2) = √ 6,4 / 644 = 0,099 м

Re = (0,2 · 0,099 · 1026,08) / 2,4 · 10-3 = 20,3 / 2,4 · 10-3 = 8458

Pr = (3998 · 2,4·10-3) / 616,37·10-3 = 15,6

(Dв / dз)0,45 = (0,152 / 0,103)0,45 = 1,2

Nu = 0,023 · 84580,8 · 15,60,4 ·1,2 = 0,023 · 1386 · 3 · 1,2 = 114,8

α2 = (114,8 · 616,37·10-3) / 0,099 = 714 Вт/(м2 · К)

К = 1 / (1/6992 + 0,002/17,5 + 1/714) = 1 / (0,00014 + 0,00012 + 0,0014) = =1 / 0,00166 = 602,4 Вт/ (м2·К)

F = 470165 / (602,4 · 18,2) = 42,9 м2

l = (42,9/3,54) · √(0,2·1026,08)/1,6 = 137 м

n = 137 / 7 = 19,6 ≈ 20

∑ξ = 1 + 2 · 19 + 1 = 40

λ = 0,11 · ( 0,06/0,099)0,25 = 0,097

Δр = ( 0,097 · (137/0,099) + 40 ) · (0,22 · 1026,08)/2 = 174 · 21 = 3654Па

N = ( 0,0023 · 3654) / 0,8 = 11 Вт

Ка = 42,9 · 1000 · 0,08 = 3432 грн/рік

Ке = 0,011 · 0,6 · 5460 = 36 грн/рік

К = Ка + Ке = 3432 + 36 = 3468 грн/рік


Література

1. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств / Под ред. В.Н. Стабникова. – К.: Вища шк., 1982. – 199 с.

2. Процеси і апарати харчових виробництв / за ред. І.Ф. Малежика

3. В.Н. Стабников, В.М. Лысянский , В.Д. Попов / Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Агропромиздат, 1985. – 503с.

4. Фізико-хімічні та теплофізичні характеристики м`яса, м`ясо продуктів, крові тварин і бульйонів. Метод. Вказівки до курс. і диплом. Проектування для студентів усіх спец. / Уклад.: В.С. Бодров. К.: УДУХТ, 1998. – 24с.

5. Гусаковський З.М. Технология и оборудование м’ясоконсервного производства. – М.: Пищ. пром-ть. 1970. – 400 с.

6. Пелеев А.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. – М.: Пищ. пром-ть, 1978. – 262 с.

7. Процеси і апарати харчових виробництв: Метод. вказівки до викон. контрол. робіт для студ. технолог. спец. заоч. форми навч. / Уклад.: І.Ф. Малежик, Л.В. Зоткіна, П.М. Немирович, О.В.Саввова. – К.: НУХТ, 2002 – 64 с.