Расчет однокорпусного выпарного аппарата (стр. 4 из 6)

где h_вт = 2598 кДж/кг при t₁ = 54.6⁰C.

Расчётная площадь поверхности теплообмена

Принимаем коэффициент теплопередачи К=1000 Вт/м²·К (с последующим уточнением).

Уточняющий расчет коэффициента теплопередачи

,

где a₁ и a₂ - коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенки к раствору;

S(d_i/l_i) – тепловое сопротивление стенки.

,

где d_ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

l_ст = 17,5 Вт/м×К – теплопроводность нержавеющей стали [4, c.529];

1/r - тепловое сопротивление загрязнений труб (накипи) = 5800 Вт/м²·К.

S(d_i/l_i) = 0,002/17,5 + 2/5800 = 4,6×10^-4 м²×К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке трубки:

где r₁ – теплота конденсации греющего пара, r = 2264 кДж/кг;

m_ж1 = 0,254×10^-3 Па×с – вязкость конденсата при средней температуре пленки [4, c.537];

l_ж1 = 0,682 Вт/м×К – теплопроводность конденсата при средней температуре пленки;

r_ж1 = 951 кг/м³ – плотность конденсата при средней температуре пленки;

Dt₁ – разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем Dt₁ = 2 °C;

Н = 4 м – высота нагревательных трубок.

Температура пленки

a₁ = 2,04(0,682³×951²×2264000/0,254×10^-3×2×4)^0,25 = 8625 Вт/м²×К.

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока:

, тогда

Dt_ст = a₁Dt₁S(d/l) = 8625×2×4,6×10^-4 =7,9 °С – перепад температур на стенке;

Dt₂ = Dt_пол – Dt₁ – Dt_ст = 13,2 – 7,9 – 2 =3,3 °С – разность между температурой кипения раствора.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии принудительной циркуляции:

a₂ = Aq^0,6

,

где l₂ = 0,717 Вт/м×К – теплопроводность молока [2 c. 132];

r₂ = 1048 кг/м³ – плотность молока [2,c. 131];

r_п = 0,099 кг/м³ – плотность пара при t_вт.п. = 54,6⁰С;

s₂ = 0,086 Н/м – поверхностное натяжение молока [2 c.132];

c₂ = 3,36 кДж/кг×К – теплоемкость молока;

m₂ = 0,77×10^-3 Па×с – вязкость молока [2 c. 132].

A=780×0,717^1,3×1048^0,5×0,099^0,06/0,086^0,5×2264000^0,6×0,579^0,66×3360^0,3×(0,77×10^-3)^0,3= 16,08,

a₂ = A(a₁Dt₁)^0,6 = 16,08*(8625×2)^0,6 = 5602 Вт/м²×К.

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q^/ = a₁Dt₁ = 8625*2 = 17250 Вт/м²,

q^// = a₂Dt₂ = 5602*3,3 = 18487 Вт/м².

q₁ » q₂

Коэффициент теплопередачи:

К = 1/(1/8625 + 4,6×10^-4 + 1/5602) = 1335 Вт/м²×К.

Требуемая поверхность теплообмена:

F = Q/KDt_п =

/1335×32,3 =9,24 м².

2.4 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ АППАРАТА

Число нагревательных трубок:

n = F/pd_cpН_тр,

где d_cp = 0,036 м – средний диаметр трубки.

n = 9,24/3,14*0,036×4,0 = 20 шт.

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·σ_атм=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.

σ_атм – 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