Расчеты пластинчатых охладителей

Пластинчатые охладители предназначены для быстрого тонкослойного охлаждения в закрытом потоке. Состоят они из двух секций: водяного и рассольного охлаждения.

Выполнить проектный расчет пластинчатого охладителя для охлаждения молока, если задана его:

1) производитель­ность (6000/л/ч, 8000 л/ч, 15 000 л/ч, 20 000 л/ч).

Выбор параметров технологического процесса.

Например:

2) Температура °С

молока

до охлаждения +20

после охлаждения +4-+2

холодной воды +10

рассола —5

Количество секций в аппарате

водяного охлаждения 1

рассольного охлаждения 1

Кратность расхода

воды 2

рассола 2

Пластины аппарата монолитные, штампован­ные из листовой нержавеющей стали Х18Н10Т типа П-3

Поверхность теплообмена пластины, м² 0,4

Зазор между пластинами, м 0,0045

Ширина проточной части,м 0,355

Толщина пластины, м 0,0015 Размеры пластины:

высота, м 1,170

ширина, м 0,416

Порядок расчета.

Выбирают принципиальную схему аппарата для охлажде­ния молока, состоящего из двух секций: охлаждения молока водой и охлаждения молока рассолом.

Затем строят примерный график изменения температур жидкостей для обеих секций и обозначают на нем точки начальных и конечных температур.

Охлаждение молока производят таким образом, чтобы мо­локо из молокохранильного отделения, подаваемое насосом в секцию водяного охлаждения, охлаждалось встречным по­током холодной (артезианской) воды до температуры 13°С, окончательное охлаждение молока, до 4°С будет происхо­дить в секции рассольного охлаждения.

Определение конечных температур воды и рассола.

Конечная температура холодной воды после выхода из секции охлаждения

= *( ),

где с - теплоемкость молока, Дж/(кг*К), (с = 3890 Дж/(кг*К) при = 20°С);

- теплоемкость воды, Дж/(кг*К) (с = 4187 Дж/ (кг*К);

n- кратность расхода воды (n = 2);

- начальная температура молока, °С ( =20°С);

- температура молока на выходе из секции охлаж­дения водой, °С (t₂ = 13°С);

-начальная температура воды, °С ( = 10°С).

Конечная температура рассола на выходе из охладителя

= + *(),

где - начальная температура рассола, °С ( =—5°С);

с - теплоемкость молока, Дж/(кг*К) (с = 3880 Дж/(кг*К)

при t₂= 13°С);

- теплоемкость рассола Дж/(кг*К) с = 3330 Дж/ (кг*К);

n - кратность расхода рассола, (n = 2);

t₃ - конечная температура охлажденного молока, °С

(t₃ = 4°C).

Определение расхода воды и рассола на охлаждение.

Расход холодной воды

W = n • М,

где n - кратность расхода воды (n = 2);

М - производительность охладителя по молоку, л/ч

(М=20 000 л/ч).

Расход рассола

= n • М,

где n - кратность циркуляционной подачи рассола (n=2). Определение средних температурных напоров:

- для секции водяного охлаждения

Δ = -t_BK,

Δ = t₂ - t_BH.

Температурный напор по секциям небольшой, поэтому

< 2.

Среднюю разность температур в секции водяного охлаж­дения определяют по формуле

Δ = ,

где Δ - большая разность температур, °С;

Δ - меньшая разность температур, °С;

- для секции рассольного охлаждения

Δ ,

Δ .

Температурный напор небольшой, поэтому

< 2.

Значит среднюю разность температур в секции рассоль­ного охлаждения определяют по формуле:

Δ

Определение тепловых нагрузок по сек­циям.

Секция охлаждения водой.

Тепло, переданное продуктом холодной воде, определя­ется по формуле

= M • с • ( - ).

Секция охлаждения рассолом.

Тепло, переданное продуктом рассолу

=M • с • (t₂-t₃).

Коэффициенты теплопередачи принимают

для водяного охлаждения = 1800 Вт/(м²*К);

для рассольного охлаждения = 1400 Вт/(м²*К).

Определение рабочей поверхности сек­ций:

водяного охлаждения

,

рассольного охлаждения

.

Выбор скорости потока молока и компо­новка аппарата.

При заданной производительности аппарата и выбранном типе пластин скорость потока молока и компоновка пакета связаны друг с другом. Очевидно, потери давления по линии движения продукта будут значительными.

Принимают небольшую скорость молока в каналах меж­ду пластинами v = 0,4 м/с.

Число каналов в пакете определяют на основании урав­нения неразрывности потока, которое в данном случае будет иметь вид

M=v*b*h*τ*m,

m =

где b - ширина проточной части канала, м;

h - зазор между пластинами, м;

τ - время, с (т = 3600 с);

m - число параллельных каналов в пакетах.

Количество параллельных каналов в пакетах принимают за целое число.

Определяют число пластин по секциям, учитывая принятую для компоновки пластину П-3 с поверхностью теплопередачи f = 0,4 м².

Для секции водяного охлаждения число пластин

.

Для секции рассольного охлаждения число пластин

.

Учитывая принятое число каналов в пакете m, определя­ют число пакетов в секции водяного и рассольного охлажде­ния. Число пакетов должно быть целым

, .

Компоновка секций и пластин охладителя может быть различной.

Таблица 1

Данные о секциях и компоновки пластин в пакетах для охладителя в приведенной таблице.

Относительное движение жидкостей при различной ком­поновке пакетов может быть противоточное и смешанное.

Компоновку пакетов в одной секции аппарата обозначают дробью. В числителе указывают количество параллельных межпластинных каналов (число цифр указывает на количе­ство пакетов, последовательно соединенных по движению продуктов); в знаменателе дроби приводят число каналов в пакете (количество цифр обозначает число пакетов, последо­вательно соединенных со стороны движения хладоносителя).

Например, для установки ООУ-25 компоновка водяной секции представлена формулой .

Значит, секция имеет 30 пластин, в числителе и знаменателе по одному пакету идет молоко и вода, а 15 показывает число каналов в паке­те для молока и для воды, т. е. секция состоит из одного пакета, движение молока и воды противоточное.

Компоновка рассольной секции представлена формулой , т.е. молоко движется по двум пакетам, с числом каналов 13 в каждом пакете, а рассол - по одному пакету из 26 каналов.

После расчета охладителя к нему подбирают насос по производительности охладителя или несколько выше пас­портной.

Определение потерь напора при движе­нии продукта по каналам аппарата и под­бор насоса.

Потери напора при движении потоков жидкости между пластинами аппарата определяют по формуле Δp = ( +Σ +1)

где - плотность продукта, кг/м³;

v - средняя скорость движения жидкости в канале, м/с;

- коэффициент сопротивления в каналах гофриро­ванного профиля (для холодного продукта Z = 0,7—0,75, для горячего продукта Z = 0,5—0,55);

L — длина каналов аппарата по продукту, м (длина ка­налов складывается из длинs каналов секций ап­парата, длина каналов одной секции определяется произведением длины рабочей одной пластины, ум­ноженной на число пакетов в секции);

- коэффициент сопротивления на поворотах можно принять (Z₂ = 2);

– гидравлический радиус, отношение площади поперечного сечения канала к обогреваемому перимет­ру, м.

Для подбора насоса необходимо учесть и потери напора по трубопроводу, подающему жидкость в аппарат.

Потери напора по трубопроводу определяются по формулу

( ,

где Н_г - геометрическая высота подачи жидкости на высоту, м;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

v - средняя скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с;

- коэффициент трения жидкости о стенки трубопро­вода;

ℓ- длина трубопровода, м;

d —диаметр трубопровода, м;

Σ - сумма коэффициентов местных сопротивлении.

Потребное давление насоса должно быть равным или не­сколько большим, чем сумма потерь напора при движении жидкости по каналам и трубопроводу, т. е.

,

Паспортное давление, развиваемое подобранным насо­сом, должно быть равно или больше ; кроме того, на­сос должен обеспечить паспортную производительность ус­тановки.

Потребную мощность насоса определяют по формуле

N = ,

где V_H - производительность насоса, м³/с;

- потребный напор, Па;

η - общий (полный) КПД насоса (для центробежных насосов η = 0,45÷0,75, для ротационных или шес­теренных η = 0,8 ÷ 0,9).

При выборе электродвигателя потребную мощность ум­ножают на коэффициент запаса и получают мощность элект­родвигателя

,

где К — коэффициент запаса, учитывающий надежность ра­боты и нагрев обмотки двигателя при продолжи­тельной работе

(К = 2—4).

По расчетной производительности аппарата потребному напору и мощности двигателя подбирают насос по каталогу.