Расчет однокорпусного выпарного аппарата

     Диаметр корпуса аппарата:

     

,

     где t – шаг между трубками t = d_н·1,25=0,038*1,25=0,0475;

           a = 60° – при размещении труб по вершинам правильных треугольников;

           y = 0,85 – коэффициент использования трубной доски;

           d_н = 0,038 м – наружный диаметр трубок;

     D = ((1,27×0,0475²sin60°×20/0,85)+(2*0,0475)²)^0,5 = 0,259 м.

     Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 0,3 м.

     Диаметр циркуляционной трубы:

     D₂ = (S_ц.т.·4/π)^0,5 = (0,011*4/3,14)^0,5 = 0,11 м,

     где S_ц.т. – площадь сечения циркуляционной трубы

           S_ц.т. = 0,3 S_тр=0,3*0,037=0,011м²,

     где S_тр= S_1тр·N=

           S_тр – площадь сечения всех трубок.

     Принимаем D₂= 0,15 м.

     Скорость  движения яблочного сока в трубах

     

     где V=G_н/ρ_н=0,214/1048=0,00020 м³/с.

     Скорость  движения жидкости в аппарате

     w^/=w·N=0.0027*20=0.054м/с.

     Расчётная длина трубок

     

     

     Принимаем l^/=1м.

     Выбор размещения трубок в трубной решетке:

     При размещении трубок необходимо обеспечить максимальную компактность, плотность  и прочность их крепления, простоту разметки, изготовления трубной решетки  и сборки трубного пучка. Этим требованиям  отвечает разметка труб по вершинам правильных шестиугольников.

     Число труб по диагонали

     

     _{На  стороне шестиугольника}

     

     Толщина трубной решетки (стальной)

     

     _{Определим размеры парового пространства}

     _{Паровой объём выпарного  аппарата над раствором  должен обеспечить достаточно полное отделение  вторичного пара от капель упаренного раствора. Необходимый объём  парового пространства}

     

     _{где σ – допустимое напряжение парового пространства.}

     _{σ = f1·f2·σатм=1,75*0,53*700=649,25кг/м³·ч,}

     _{где f1 =1,75 и f2 =0,53 – коэффициенты, зависящие от давления вторичного пара в паровом объеме и от уровня раствора над точкой ввода парожидкостной смеси.}

           _{σатм – значение допустимого напряжения парового пространства,}

           _{σ=700 кг/м³·ч.}

     

     _{Высота  парового пространства}

     

     _{Определим диаметры штуцеров}

     _{- для входа греющего  пара}

      d_г.п. =

      Принимаем d = 0.5 м

      - для выхода конденсата

        d_к =

      Принимаем d = 0.04 м.

      

      - для выхода вторичного пара

      d_вт =

      - для входа молока

      d_н.яс. =

      Принимаем d_н.яс.=0,012 м.

      - для выхода молока d_к.яс. =

      Принимаем d_к.яс.=0,014 м. 
 

      2.5 РАСЧЁТ КОМПЛЕКТУЮЩЕГО  ОБРУДОВАНИЯ 

      2.5.1 РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБНОГО  КОНДЕНСАТОРА 

      В конденсаторе происходит конденсация  вторичного пара молока, поступающего из емкости исходного продукта. Вторичный пар поступает в кожухотрубный конденсатор при Р_вт=Р₀=0,015 МПа, температура насыщения пара t₀=53,6⁰С, удельная теплота конденсации r = 2372 кДж/кг.

      Тепловая  нагрузка конденсатора

      

.

      Начальная температура молока, поступающего из емкости исходного продукта

      

что не возможно.

      Так как по уравнению топливного баланса  кожухотрубного конденсатора получили нереальную температуру молока, следовательно, на конденсацию идет не весь вторичный пар, а только его часть, принимая температуру молока из накопительной емкости равную 10⁰С, определим количество вторичного пара, который идет на конденсацию.

      

      

      Оставшийся  пар в количестве

      

идет на побочные нужды производства.

      Средняя разность температур

      

      Определим ориентировочный коэффициент теплопередачи  К_ор=60 Вт/м²·К.

      Ориентировочное значение поверхности, где

      

      

      

      Задаваясь критерием Рейнольдса Re = 10000, определим отношение n/z для конденсатора из труб диаметром d_н=25х2 мм.

      

,

      где n – общее число труб;

            z – число ходов по трубному пространству.

      Соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха D_кож = 325 мм, диаметром труб 25х2 мм, числом ходов z=1 и общим числом труб n=62, длина труб L = 2 м.

      Действительное  число Рейнольдса

      

      Коэффициент теплоотдачи к молоку

      

      где λ_c = 0,556 Вт/м·К– теплопроводность молока;

            Pr – критерий Прандтля при t_вср = (10+36)/2=23⁰С

      

.

      Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося  на пучке вертикально расположенных  труб

      

      где λ_к = 0,652 Вт/м·К – теплопроводность конденсата при t₀ = 53.6⁰C;

            ρ_к = 986,2 кг/м³ – плотность конденсата при t₀ = 53.6⁰C;

            μ_к = 520*10^-6 Па·с – динамическая вязкость конденсата при t₀ = 53.6⁰C.

      Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны молока и пара

      

      Коэффициент теплопередачи

      

      Требуемая поверхность теплопередачи

      

      Конденсатор с длиной труб 2 м и площадью 6 м² подходит с запасом.

      

 
 

     

     

     2.5.2 РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ 

     

1. Определяем  среднюю температуру продукта (молока) в подогревателе:

     t_м = 0,5(t_н1 + t_н2)

     t_м = (100,2+8)/2 = 54,1^°С.

2. Из таблицы 11[1] определяются физические свойства молока при tм:

     с_р = 3,875 кДж/(кг*К),

     ρ = 1014 кг/м³,

     λ = 0,593 Вт/(м*К),

     ν = 0,76*10^-6 м²/с,

     Ρr = 5.

3. По таблице 11.2 [6] по давлению водяного пара Р определяем  характеристики насыщенного пара:

     энтальпия пара ί^″= 2707 кДж/кг,

     энтальпия конденсата ί^′ = 504,8 кДж/кг.

4. Количество тепла, необходимое для подогрева продукта (молока) до заданной температуры, т. е. до 100,2°С: 

 

     Q = G*c_р*(t_к2 – t_н2)φ_n, кВт, 

     Q = 0,244*3,875*(100,2-8)*1,04 = 1248,5 кВт,

     где φ_n – поправочный коэффициент,  φ_n = 1,03-1,05.

5. Средний логарифмический напор, создаваемый в теплообменнике между горячим и холодным теплоносителями рассчитывается:

 

     Δt_ср = (Δt_б – Δt_м)/2,3lg (Δt_б/Δt_м), 

     где Δt_б = t_1н – t_2н = 130-8 = 122^°С, Δt_м = t_2к -  t_1н = 100,2 – 100 = 0,2^°С.

     Δt_ср = (122 – 0,2)/(2,3lg122/0,2) = 18,98 ≈ 20^°С.

6. Задаем скорость движения продукта в трубах при условии, что скорость движения в трубах лежит в пределах ω = (0,6-1,5), м/с: ω^′ = 1м/с.
7. Задаем наружный и внутренний диаметры трубок, учитывая, что внутри трубок протекает продукт, а снаружи трубки омываются паром:

     d_н = 35 мм, d_вн = 25 мм.

8. Определяем необходимое количество трубок для обеспечения данной скорости продукта в одном ходу:

 

     n^′ = 1,27*G/d_вн²*ω^′*ρ 

     n^′ = 1,27*3,36 / (0,025)² *1*1014 = 4,2672/0,634 = 6,73.

     Значение n^′ округляем до целого десятка n = 10 трубок.

9. Уточняем скорость движения продукта по трубам по округленному числу n: 

     ω = 3600*G/2825* d_вн² * ρ, м/с,

     

     

     ω = 3600*3,36 / 2825*(0,025)² *1014*10 = 12096/17903,4 = 0,68 м/с.

10. Определяем значение коэффициента теплоотдачи молока α2:

     α₂ = Νu*λ/d_вн,

     Νu = 0,0225*Re^0,8 * Pr^0,4,

     Re = ωd_вн /ν,

     Re = 0,68*0,025/0,76*10^-6 = 22368 > 10000, следовательно, имеет место турбулентный режим.

     Νu = 0,0225*(22368)^0,8 * 5^0,4 = 129,014,

     α₂ = 129,014*0,593 / 0,025 = 3060,2 Вт/(м² *К) = 3,06 кВт/(м²*К).

11. Необходимая поверхность для нагрева продукта с учетом возможности загрязнений: