Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

ФБГОУ ВПО «Уральский государственный аграрный университет»

Процессы и аппараты пищевых производств

Учебное пособие к курсовому проекту

Екатеринбург

2014

В данном учебном пособии приводится методика расчета выпарной установки, как наиболее характерной при выполнении курсового проекта.

Методика расчета однокорпусной выпарной установки непрерывного действия

Расчет выпарной установки состоит из определения поверхности теплопередачи выпарного аппарата, определения толщины тепловой изоляции, расчета барометрического конденсатора и расчета производительности вакуум-насоса.

Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи выпарного аппарата F ( определяют по основному уравнению теплопередачи:

, (1.1)

где Q – тепловая нагрузка, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/ К;

– полезная разность температур, .

Тепловую нагрузку аппарата определяют из уравнения теплового баланса:

Q= , (1.2)

1 2

где G – производительность по исходному продукту, кг/с;

W – производительность по выпаренному растворителю (воде), кг/с;

Д - расход греющего пара, кг/с;

– энтальпии соответственно греющего пара и вторичного пара, Дж/кг;

, – удельные теплоемкости соответственно поступающего продукта, концентрированного продукта и конденсата, ;

- потери теплоты в окружающую среду, Вт.

В уравнении (1.2), левая часть, объединенная под номером 1, отражает приход теплоты в аппарат, правая часть, объединенная под номером 2, отражает расход теплоты в аппарате.

Производительность аппарата по выпаренному растворителю определяют из уравнения материального баланса:

(1.3)

где , - соответственно начальная и конечная концентрация

раствора, %

Расход греющего пара определяется по уравнению:

Д= , (1.4)

Теплоемкость продукта в зависимости от концентрации и температуры можно определить по уравнению:

Средняя температура пленки конденсата определяется по уравнению:

где – температура греющего пара, ;

- разность температур конденсации пара и наружной стенки кипятильной трубы, .

Потери теплоты в окружающую среду принимают равными 3% от прихода теплоты. Остальные значения величин, входящие в уравнение (1.2), определяются по справочникам.

Полезная разность температур определяется по уравнению:

, (1.7)

где – температура кипения раствора,

При определении температуры кипения раствора исходят из следующих допущений. Распределение концентрации раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации. Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора отличается от температуры вторичного пара на сумму температурных потерь от физико-химической и гидростатической депрессий.

Температура кипения раствора определяется по уравнению:

, (1.8)

где ,

- изменение температуры раствора за счет физико-химической депрессии,

- изменение температуры раствора за счет гидростатической депрессии,

Значения температурных потерь и определяется по справочникам.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

(1.9)

где - коэффициент теплопередачи соответственно от конденсирующегося пара к наружной стенке кипятильной трубы и от внутренней стенки кипятильной трубы к кипящему продукту, Вт/ К;

- толщина стенки кипятильной трубы, м;

- коэффициент теплопроводности материала кипятильной

трубы, Вт/м К.

Коэффициенты теплопередачи рассчитываются из критериальных уравнений. При пленочной конденсации коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к наружной стенке кипятильной трубы определяются по уравнению:

Nu = 1,15(GaPrKu)^0,25(1.10)

где

– критерий Нуссельта;

– критерий Галилея;

Pr = – критерий Прандтля;

Ku = – критерий Кутателадзе (фазового превращения);

l = H – высота кипятильной трубы (определяющий размер аппарата), м;

– соответственно плотность, кг/ ; коэффициент

теплопроводности, Вт/м К; коэффициент динамической вязкости, Па с конденсата, взятые при средней температуре пленки конденсата;

теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.

Значение физических величин, входящих в уравнение (1.10), определяют по справочникам.

Расчет , ведут методом последовательных приближений, принимая различные значения . В первом приближении принимают = 2 .

Для установившегося процесса передачи теплоты справедливо уравнение:

, (1.11)

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/ ;

разность температур наружной и внутренней стенки

кипятильной трубы, ;

разность температур внутренней стенки кипятильной трубы и

кипящего продукта, .

(1.12)

(1.13)

Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки кипятильной трубы к кипящему продукту при пузырьковом кипении рассчитывают с помощью критериальной зависимости: