Расчет и проектирование пастеризатора сливок трубчатого типа (стр. 3 из 4)

МППЖ 06.17.00 ПЗ Лист 12 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

, (2.10)

где N_u – критерий Нуссельта;

λ_сл – коэффициент теплопроводности сливок, Вт/(м·°С);

l– характерный линейный размер, м; для круглых трубок l = d_вн.

d_вн– внутренний диаметр трубок, м.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенкам трубок для случая конденсации пара на пучке горизонтальных труб определяют по формуле [2]

, (2.11)

где ε – коэффициент, зависящий от расположения труб (коридорное или шахматное расположение), принимаемый равным 0,55 – 0,68;

– плотность конденсата, кг/м³;

– теплопроводность конденсата, Вт/(м·°С);

– ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

µ – динамический коэффициент вязкости конденсата, Па·с;

Δt – разность между температурой насыщенного пара и температурой стенки, °С;

D – внешний диаметр трубы.

При конденсации водяных паров коэффициент теплоотдачи достигает высоких значений и составляет 4000 – 15000 Вт/(м² °С) [2].

Анализ уравнения (2.9) показывает, что коэффициент теплопередачи в основном определяется частным термическим сопротивлением 1/α₁ от сливок к стенке трубки и практически не зависит от 1/α₂.

МППЖ 06.17.00 ПЗ Лист 13 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

3 РАСЧЕТ ИПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБЧАТОГО ПАСТЕРИЗАТОРА

3.1 Конструктивное решение теплообменного аппарата

Для уменьшения габаритных размеров пастеризатор может состоять из нескольких секций. Это приводит с одной стороны к уменьшению занимаемой производственной площади, а с другой стороны – к некоторому усложнению конструкции. Поэтому целесообразно принять две горизонтально расположенные секции, установленные одна над другой. Для увеличения коэффициента теплоотдачи от сливок к стенкам трубок кожухотрубного теплообменника и соответственно коэффициента теплопередачи необходимо иметь развитой турбулентный режим в трубном пространстве. Это достижимо при выполнении кожухотрубного теплообменника многоходовым по трубному пространству. Наибольшая скорость сливок достигается при их прокачке последовательно через все трубки, т. е. когда весь расход сливок приходится на сечение одной трубки. В межтрубном пространстве нет необходимости делать перегородки, так как в качестве теплоносителя используется водяной пар, обладающий высоким коэффициентом теплоотдачи.

Теплообменный аппарат необходимо выполнить из нержавеющей стали. Для снижения потерь тепла в окружающую среду целесообразно снаружи теплообменника нанести теплоизоляционный слой.

3.2 Анализ факторов, принятые допущения

Расчёт трубчатого пастеризатора сводится к определению диаметра трубок, количества трубок в каждом рабочем цилиндре, длины трубок, а также диаметра рабочего цилиндра. Расчёт производится из условия обеспечения температуры пастеризации, а также обеспечения необходимой производительности пастеризатора по сливкам. Причём, конструктивные параметры пастеризатора необходимо рассчитать таким образом, чтобы приведённые затраты были минимальны.

МППЖ 06.17.00 ПЗ Лист 14 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

При разработке математической модели принимаются следующие допущения.

1) Ввиду незначительного изменения занимаемой площади пола по рассматриваемым вариантам в приведенные затраты можно не включать амортизацию здания.

2) Так как теплоноситель пар, поэтому α₂ имеет очень большое значение, и поэтому величиной 1/α₂ можно пренебречь, т. е. при расчете коэффициента теплопередачи не учитывается термическое сопротивление между паром и стенкой трубки.

3) Ввиду незначительной стоимости слоя утеплителя пренебрегаем затратами, связанными с наружной теплоизоляцией аппарата.

4) Пренебрегаем изменением стоимости насоса и электродвигателя при изменении потребляемой ими мощности.

3.3Разработка математической модели процесса нагрева сливок

С учетом всех уравнений процесса теплообмена в кожухотрубном теплообменнике математическая модель может быть представлена в виде следующей последовательности расчета.

3.3.1 При заданном численном значении внутреннего диаметра трубкиd_внопределяем площадь ее сечения [3]

. (3.1)

3.3.2 Определяем объемный и массовый расход сливок

Q_сл =2,5/3600=0,0006944 м³/с;

М_сл =Q_сл ·ρ_сл= 0,0006944·960 = 0,6667 кг/с; (3.2)

где Q_сл , М_сл– объемный массовый расходы сливок;

ρ_сл– плотность сливок, равная 960 кг/м³.

3.3.3 Исходя из уравнения неразрывности потока определим скорость движения сливок по трубкам пастеризатора [2]

. (3.3) МППЖ 06.17.00 ПЗ Лист 15 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

3.3.4 Найдем число Рейнольдса по формуле [2]

, (3.4)

гдеl– характерный линейный размер, равный для круглых трубокd_вн;

γ_сл– кинематическая вязкость сливок, равная 2,59·10^-6 м²/с.

3.3.5 Считая режим движения сливок в трубках турбулентным (Re>2320) определим коэффициент гидравлического сопротивления λ по формуле Блазиуса [2]

. (3.5)

3.3.6 Определим критерий Нуссельта для турбулентного режима движения сливок [2]

, (3.6)

где Pr – критерий Прандтля, равный для сливок 22,5;

– для процесса нагревания.

3.3.7 Коэффициент теплоотдачи от сливок к стенке трубки

определяется по формуле (2.10) с учетом того, что для сливок λ_сл = 0,395 Вт/(м·°С).

3.3.8 Коэффициент теплопередачи kопределяется по формуле (2.9) при принятых значениях δ_ст= 0,0015 м [3];λ_ст = 14 Вт/(м·°С).

3.3.9 Температуру пара при его рабочем давлении p_п= 0,13 – 0,15 МПа [3]определим по эмпирической формуле

t_п= (196,552+4,3826·p_п^0.25 +8,514·lnp_п) – 273, (3.7)

t_п = [196,552+4,3826·(0,13·10⁶)^0,25 +8,514· ln (0,13·10⁶)] – 273 = 107,02 °С;

t_п= [196,552+4,3826·(0,15·10⁶)^0,25 +8,514· ln (0,15·10⁶)] – 273 = 120 °С.

Принимаем среднюю температуру пара t_п = 110 °С.

3.3.10 Определим средний температурный напор ∆t_ср по формуле (2.6) при начальной температуре сливок t_сл.н= 6°С и конечной их температуреt_сл.к= 95°С.

МППЖ 06.17.00 ПЗ Лист 16 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

3.3.11 Из уравнения теплового баланса [3]:

Q_w= С_сл·М_сл·(t_сл.к– t_сл.н) = k·f·∆t_ср = D·(i_п – i_к), (3.8)

где С_сл – теплоёмкость сливок, равная 3580 Дж/(кг °С);

D – массовый расход греющего пара, кг/с;

i_п – удельная энтальпия пара, Дж/кг;

i_к – удельная энтальпия конденсата, Дж/кг,

определяется тепловой поток

Q_w= С_сл·М_сл·(t_сл.к– t_сл.н) = 3580·0,666·(95 – 6) = 212200,9 Вт

и необходимая площадь теплообмена

. (3.9)

3.3.12 Найдем длину одной трубки по формуле

, (3.10)

гдеn – число трубок в одной секции пастеризатора;

δ_ст – толщина стенки трубок, равная 0,0015 м.

3.3.13 Определим общую длину трубок пастеризатора

. (3.11)

3.3.14 Определим давление в Па, необходимое для транспортирования сливок через пастеризатор, [3]

. (3.12)

3.3.15 Определим мощность насоса, необходимую для перекачивания сливок по трубкам пастеризатора [3]

, (3.13)

где η_н – КПД насоса, равный 0,9 [2];

η_пр – КПД привода, равный 1.

3.3.16 Определим затраты в рублях на электроэнергию для привода насоса

МППЖ 06.17.00 ПЗ Лист 17 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

, (3.14)