Проектирование горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата для подогрева продукта перед упариванием

Содержание 

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Расчётная  часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5

  2.1 Теплотехнический расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5

  2.2  Конструктивный расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

  2.3 Прочностной расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

  2.3.1 Выбор допускаемых напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

  2.3.2 Расчёт на прочность цилиндрический  оболочек, обечаек и корпусов  работающих под внутренним избыточным  давлением. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

  2.3.3 Расчёт тонкостенных цилиндрических  корпусов. . . . . . . . . . . . . . . .  14

  2.3.4 Расчёт прокладок на невыдавливание  из фланцевого соединения. . .17

  2.3.5 Расчёт болтов фланцевого соединения  патрубка. . . . . . . . . . . . . . . . . 19

  2.4 Гидравлический расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

  2.4.1 Расчёт теплообменника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  20

  2.4.2 Расчёт трубопровода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

  2.4.3 Выбор насоса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

  2.5 Расчёт теплоизоляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  26

3. Список  использованной литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение 

     В технологических процессах пищевой  промышленности широко применяется тепловая обработка сырья и полуфабрикатов, которая проводится в теплообменных аппаратах.

          Теплообменными аппаратами называются  устройства, предназначенные для непрерывной передачи тепла от потока одной рабочей среды - горячий теплоноситель, к потоку другой среды - холодный теплоноситель, для осуществления различных тепловых процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, повышения концентрации (выпаривания) растворов, ректификации и т.п.

     По  принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативные и  регенеративные теплообменники являются аппаратами поверхностного типа. В  поверхностных аппаратах каждый из теплоносителей ограничен твёрдыми стенками. Поверхность стенок, посредством  которых передаётся теплота, называется поверхностью нагрева.

     В аппаратах смешения процесс теплообмена осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких или газообразных веществ (теплоносителей).

       В регенеративных аппаратах теплоносители  попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая, соприкасаясь вначале с «горячим» теплоносителем, нагревается, аккумулируя тепло первого теплоносителя, а затем, соприкасаясь с «холодным» теплоносителем, отдает ему свое тепло.

     Рекуперативные  теплообменные аппараты в большинстве  случаев относятся к аппаратам  непрерывного действия. В этих аппаратах  передача тепла от одного теплоносителя  к другому осуществляется через  стенку из теплопроводного материала.

Теплоносителями в теплообменных аппаратах могут  быть: водяной пар,  

горячая вода, дымовые газы, масло, различные  смеси жидкостей и другие

физические тела.

    Наибольшее  распространение в качестве теплоносителей получили водяной пар, горячая вода и дымовые газы. В пищевой промышленности наиболее широко применяются рекуперативные теплообменные аппараты различных  типов и конструкций. Конструкция  аппаратов должна учитывать как  особенности течения технологического процесса, так и условия эксплуатации, изготовления и ремонта самого аппарата.

     Конструкция теплообменного аппарата должна обеспечить ведение технологического процесса с заданными параметрами и  получение продукта высокого качества. Наиболее важными факторами при  тепловой обработке пищевых продуктов  являются температурный режим и  продолжительность теплового воздействия. В связи с этим необходимо правильно  выбрать поверхность теплообмена, оптимальную скорость движения продукта и предусмотреть возможности  гибкого регулирования теплового  режима.

     В целях сохранения качества продукта особое внимание должно быть уделено  выбору материала.

     Аппарат должен иметь высокую производительность, быть экономичным в эксплуатации. Достигается это путём повышения  интенсивности теплообмена и  максимального снижения гидравлических сопротивлений аппарата.

     В пищевой промышленности наибольшее распространение получили кожухотрубные  аппараты как одноходовые, так и  многоходовые по трубному и не трубному пространству; с различными направлениями  потоков теплоносителей и жёсткостью конструкции; однокорпусные и многокорпусные – элементные.

     В соответствии с ГОСТ – 9929-77 кожухотрубчатые  стальные теплообменники выполняются  с площадью теплообмена до 2000 м², работают при давлении до 6,4 мПа и имеют пять типов: ТН с неподвижными решётками, ТК – с температурным конденсатором на кожухе,

ТП – с  плавающей головкой, ТУ – с V-образными трубками, ТС - с сальником на плавающей головке. Эти аппараты применяются в пищевой промышленности для нагревания и охлаждения жидких и газообразных продуктов при температуре от 40^о до 450^о С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Исходные  данные:

1. Расход рыбного бульона:

массовый: G_б = 0,5 кг/с

      2. t^н_б = 14⁰С

          t^б_к  = t_кип 

      3. Греющий агент – конденсат водяного пара

          t^н_кд = 138⁰С

          t^к_кд = 34⁰С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Расчетная часть

1. Теплотехнический расчёт

Температура конденсации греющего пара t^н_кд = 138⁰С

Начальная температура  конденсата на входе в греющую  камеру теплообменника t^н_кд = 138⁰С

Температура кипения  рыбного бульона определяем, приняв дополнительные данные для расчёта. Подпрессовый бульон концентрацией В_н = 6%, прошедший очистку в грязевом сепараторе, подается в вакуум-выпарную установку с вертикальными кипятильными трубами высотой Н_тр = 3м и упаривается до конечной концентрации  В_к = 20% (2) стр.547-551. Принимаем, что рыбный бульон начальной концентрации В_н = 6% содержит:

        Сухих веществ – В^н_с = 4,5%

    Жира - В^н_ж = 1,5%

Уравнение материального баланса процесса выпаривания (3) 5.2

        G_н* В_н  = G_к* В_к

Выход упаренного бкльона:

G_к = G_н* В_н/ В_к = 0,5*6/20 = 0,15кг/с

Конечная  концентрация сухих веществ:

В^к_с =  G_н* В^н_с/ G_к = 0,5*4,5/0,15 = 15%

Конечная концентрация жира:

В^к_ж = В_к - В^к_с = 20% - 15% = 5%

В выпарных аппаратах  непрерывного действия повышение температуры  кипения раствора (бульона) по сравнению  с температурой кипения чистого  растворителя (воды) определяется по конечной концентрации (3) стр. 250.

Физико-химическая депрессия (4) XV-6:

∆ʼ = 0,025* В^1,1_к * Ра^0,17 = 0,025*26,986*2,083 = 1,4⁰С

Гидростатическая  депрессия

Давление над  поверхностью бульона:

Р₁ = Ра = 75кПа = 75000Па

Температура кипения  воды при данном давлении:        (1) Табл. 4

t₁ = 91,75⁰С.

Принимаем температуру  кипения бульона предварительно t_кип = 95⁰С.

Плотность бульона  В_к = 20% при t_кип = 95⁰С.

1/ρ = 10^-2*((100 - В_к)/ ρ_в + В^к_с/ ρ_с + В^к_ж/ ρ_ж)    5(73)

Плотность воды ρ_в = 961,5 кг/м³                                                    (3) т XXXIX

Плотность сухих  веществ (треска):                            (6) II 129.

ρ_с = 1305 - 307W_k = 1305 - 307*0,8 = 1059,4 кг/м³,

где W = 100 - В_к/100 = 100 – 20/100 = 0,8 сухих веществ в сотых долях.

Плотность жира:                                                            (6) II 277

ρ_ж = 1098 – 0,605 Т_кип = 1098 – 0,605*(273 + 95) = 875,4 кг/м³.

1/р = 10^-2((100 - 20)/ 961,5 + 15/ 1059,4 + 5/ 875,4) = 1,03074*10^-3 м³/ кг

ρ = 970,2 кг/м³

Оптимальная высота уровня:                                       (3) 5.23

Н_опт = (0,26 + 0,0014 * (ρ – ρ_в) * 3

Н_опт = (0,26 + 0,0014 * (970,2 – 961,5) * 3 = 0,82 м.

Давление в  среднем слое упариваемого бульона:      (3) 5.22

Р_ср = Р₁ + 0,5*ρ*g* Н_опт = 75000+0,5*970,2*9,81*0,82 = 78902 Па = 78,9 кПа

Температура кипения  воды при данном давлении:

t_ср = 93,13⁰С                                                                     (1) Т.4

Гидростатическая  депрессия:                                    (3) 5.25

∆ʼʼ = t_ср – t₁ = 93,13 – 91,75 = 1,38⁰С

Температура кипения  бульона:                                     (5) 13

t_к = t₁+∆ʼ+∆ʼʼ = 91,75 + 1,4 + 1,38 = 94,53⁰С 
 
 
 
 

2.3. Температурная схема процесса:

      

Большая разность температур:

      ∆t_б= t^кд_н - t^б_к

      ∆t_б = 138-94,53=43,47 ^о С    [2] стр 227.

Меньшая разность температура:

    ∆t_м= t^кд_к - t^б_н

    ∆t_б = 34-14=20 ^о С   

    Отношение ∆t_б/∆t_м = 43,47/20 = 2,1735 ˃ 2                  (3)  стр. 169  

2.4. Средняя разность температур:

     ∆t_ср= (∆t_б - ∆t_м) / ln (∆t_б/∆t_м)                                           [3] 4.78

    ∆t_ср= (43,47-20)/ln 2.1735= 23,47/0.7763=30,2^oС 

2.5. Изменение температуры:

Конденсата: ∆t_кд = t^кд_н - t^кд_к = 138 – 34 = 104 ^oС

Бульона: ∆t_б= t^б_к - t^б_н = 94,53 – 14 = 80,53 ^oС

∆t_кд˃∆t_б, следовательно (3) стр. 170 средняя температура бульона (3) 4.82:

t^б_ср = (t_к + t_н)/2 = (94,53 + 14) / 2 =  54,265 ^oС

Средняя температура  конденсата:                                           (3) 4.82.

t^кд_ср= t^б_ср + ∆t_ср = 54,265 + 30,2 = 84,469 ^oС

2.6. Теплофизические характеристики бульона концентрацией В_н = 6%, при

средней температуре  Т_ср = 273 + t^б_ср = 273 + 54,265 = 327,265К

Плотность:                                                                                   (5) 73