Гидростатическая депрессия

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

 

 

Расчетная часть

2.1 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:

t оС

 

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

1/ρ = 10^-2*((100 – В_н)/ ρ_в + В_с/ ρ_с + В_ж/ρ_ж)

ρ_в = 986,4 кг/ 7W_k = 1305 - 307*0,8 = 1059,4 кг/м³ – плотность сухих веществ

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

1/ ρ_б = 10^-2*((100 - 6)/ 986,4 + 15/1059,4 + 5/875,4) = 0,001516

ρ_б = 659,63 кг/м³

Удельная теплоёмкость (5) 74:

С = 10^-2*((100 – В_н)* С_в + В_с* С_с + В_ж*С_ж)

С_в = 4,18 кДж/кг*К – удельная теплоёмкость воды (3) т. XXXIX

С_с = 3130 – 5,02 * Т_ср = 3130 – 1642,87 = 1487,13 Дж/кг*К - удельная теплоёмкость сухих веществ (6) II 133

С_ж = 1031 + 3,025 * Т_ср = 1031 + 989,98 = 2020,98 Дж/кг*К

С_б = 10^-2*((100 – 6)*4180 + 15*1487,13 + 5*2020,98) = 4253,32 Дж/кг*К.

Коэффициент теплопроводности (5) 75

1/λ = 10^-2*((100 – В_н)/ λ _в + В_с/ λ _с + В_ж/λ _ж)

λ _в = 0,625 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности воды (3) т. XXXIX

λ _с = 0,531 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности сухих веществ (6) т. II 8

λ _ж = 0,359 * 0,00064 * Т_ср = 0,359 * 0,00064 * 327,265 = 0,075 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности жира (6) II 289.

1/ λ _б = 10^-2*((100 – 6)/ 0,625 + 15/ 0,531 + 5/0,075) = 2,3912

λ _б = 0,418 Вт/(м*К)

Динамический коэффициент вязкости: (4) II-12

µ _б = µ _ср(1 + 2,5φ)

µ _ср = 0,507 мПа*с – динамический коэффициент вязкости воды (среды) (3) т. XI

 φ = В_н/100 = 6/100 = 0,06 – начальная концентрация в сотых долях

µ _б = 0,507*(1+2,5*0,06) = 0,58305*10^-3  Па*с.

2.7. Теплофизические характеристики конденсата при средней температуре.

t^кд_ср = 84,469 ^oС (3) XXXIX

ρ_кд = 968,5 кг/ м³

λ _кд = 0,687 Вт/(м*К)

С _кд = 4,220 кДж/(м*К)

µ _кд = 0,3361*10^-3  Па*с

2.8. Тепловой поток (5). 2

Q = G_н * С_б * (t_к – t_н) = 0,5*4253,32*(94,53-14) = 171260 Вт

2.9. Расчет конденсата с учётом 5% тепловых потерь в окружающую среду:                                                                                    (1) стр.44

x_н = 1,05

С_Ткд = x_н* Q/ С_кд * (t^кд_н - t^кд_к) = 1,05*171260/4220*(138-34) = 0,41 кг/с

2.10. Компоновка теплообменника:

Пропускаем бульон по трубкам теплообменника, конденсат в межтрубном пространстве (1) стр. 41

Диаметр трубок теплообменника принимаем в соответствии с ГОСТ 9929 – 77 на теплообменные аппараты (1).

Принимаем стальные бесшовные трубы по ГОСТ 8734 – 78 диаметром

d 25*2 мм (1) т.21.

 Внутренний диаметр:

d_в = d_н - 2δ_ст = 25 - 2*2 = 0,021 м

Расчётный диаметр:

d_р = d_н - δ_ст = 25 – 2 = 23мм = 0,023 м

Предварительно принимаем турбулентное течение бульона в трубах. Критерий Рейнольдса Re˃10000. Принимаем Re = 11000.

Количество трубок в одном ходе:                  (5) 3

n₁ = 4* G^б_н /π* d_в*Re* µ _б = 4*0,5/3,14*0,021*11000*0,58305*10^-3 ≈ 4

Принимаем, предварительно коэффициент теплопередачи от конденсата к бульону (1) т. 21

Кʼ = 800 Вт/(м²*К).

Площадь поверхности аппарата, предварительно:             (5)

Fʼ = Q/ Кʼ*∆t_ср = 171260/800*30,2 = 7,09 м²

Расчётная длинна одной трубки при одном ходе:

L₁ =0,318*F /d_р*n₁ = 0,318*7,09/0,023*4 = 24,51 м

Принимаем рабочую длину трубок:

l = 4 м (1) стр. 65

Число ходов в многозаходном теплообменнике                (1) 3.12.

z = L/ l = 24,51/4 = 6,13

Принимаем z = 6

Размещаем трубки по вершинам правильных треугольников:

Шаг трубок S = 1,3* d_н = 1,3*25 = 32,5 мм                         (1) стр.66.

Принимаем радиус окружности, на который располагаются внутренние трубки:

r = 2* d_н = 2*25 = 50 мм.

Радиус окружности, на который располагаются крайние трубки:

R = r + 4*S = 50 + 4*32,5 = 180 мм.

Диаметр окружности, на которой располагаются крайние трубки:

Dʼ = 2*R = 2*180 = 360 мм

Внутренний диаметр корпуса теплообменника:               (1) 3.14.

D_в = Dʼ + 4* d_н = 360 + 4*25 = 460 мм

Принимаем внутренний диаметр теплообменника d_в = 600 мм = 0,6 м

(1)  стр.67 (кратный 200).

Общее число труб в теплообменнике: n₀ = n₁*z = 4*6 = 24

На основании выполненной компоновки теплообменника, принимаем для дальнейших теплотехнических расчётов шестиходовой кожухотрубный горизонтальный теплообменник, общее число труб n₀ = 24. Число труб в ходе n₁ = 4. Внутренний диаметр корпуса D_в = 0,46 м

 

 

2.11. Скорость бульона в трубках:                                (1) 38.

ω _б = G_н/0,785* d²_в * n₁* ρ_б = 0,5/0,785*0,000441*4*659,63 = 0,55 м/с ˃ 0,1 м/с

(1)  стр.63.

2.12. Критерий Рейнольдса (1) 2.26.

Re _б = ω _б*d_в* ρ_б/µ _б = 0,55*0,021*659,63/0,58305*10^-3 = 13067˃10000 – развитое турбулентное течение.

2.13. Расчётная формула (3) 4.17.

Nu _б = 0,021 * Re^0,8 * Pr^0,43 *(Pr/Pr_ст)^0,25

Критерий Прандтля:         (3) 4.12.

Pr _б = С _б* µ _б/ λ _б = 4253,32*0,58305*10^-3/0,418 = 5,93.

Принимаем отношение (Pr/Pr_ст)^0,25 = 1,05 для нагревающегося бульона (3) стр.152

Критерий Нуссельта:

Nu _б = 0,021 * 1963,09 * 2,15 * 1,05 = 93,1

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к бульону:   (3) 4.11.

 = Nu _б * λ _б / d_в = 93,1*0,418/0,021 = 1853 Вт/(м²*К).

2.14. Проходное сечение межтрубного пространства:          (1) 3.3.

S = 0,785*(D²_в - n₀ * d²_н) = 0,785*(0,2116 - 24*0,000625) = 0,154 м²

2.15. Эквивалентный диаметр d_э = d_в = 0,021 м.

2.16. Скорость конденсата в межтрубном пространстве:        (1) стр. 64.

ω _кд = G_кд/0,785* d²_в * n₁ * ρ_кд = 0,41/0,785*0,000441*4*968,5 = 0,31 м/с

2.17. Критерий Рейнольдса:

Rе _кд = ω _кд*d_э*ρ_кд/ µ _кд = 0,31*0,021*968,5/0,3361*10^-3 = 18759

2.18. Расчётная формула (3) 4.31. для шахматных пучков:

Nu _кд = 0,4 * ε _φ*  Re^0,6 * Pr^0,36 *(Pr/Pr_ст)^0,25

Поправочный коэффициент на обтекание сегментных перегородок, поддерживающих трубы (3) стр.157 ε _φ = 0,6.

Критерий Прандтля для конденсата:

Pr_кд = С _кд* µ _кд / λ _кд = 4220*0,3361*10^-3/0,687 = 2,065

Принимаем для охлаждающегося конденсата отношение:

(Pr/Pr_ст)^0,25= 0,93            (3) стр.152

Критерий Нуссельта:

Nu _кд = 0,4 *0,6*366,37*1,298*0,93 = 106,14.

Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке трубки:

= Nu _кд * λ _кд / d_н = 106,14*0,687/0,025 = 2916,7

2.19. Термическое сопротивление загрязнения стенки трубы со стороны конденсата:

r_з1 = 1/2500 м²*К/Вт

Термическое сопротивление загрязнений трубы со стороны бульона

r_з2 = 1/2900 м²*К/Вт (органическая жидкость) (3) т. XXXIX

Коэффициент теплопроводности стали:

λ _ст = 42 Вт/м*К                                                (3) т. XXVII

Суммарное термическое сопротивление стенки трубы: (5)

Σ r_ст = r_з1 + δ_ст/ λ _ст + r_з2 = 1/2500 + 0,02/42 + 1/2900 =

= 0,0004 + 0,00047619 + 0,000344827 = 0,00122 м²*К/Вт.

2.20. Коэффициент теплопередачи стали:

К = 1/(1/  + Σ r_ст + 1/ ) = 1/(1/2916,7 + 1/0,00122 + 1/1853) =

= 1/0,002102518 = 475,62 Вт/ м²*К

  2.21. Поверхность теплообмена:

F = Q/ К*∆t_ср = 171260/475,62*30,2 = 11,92 м²

2.22. Расчётная длина трубок:                    (1) стр.65

l = F/ π * d_р* 78 = 11,92/3,14*0,023*78 = 2,12 м.

На основании характеристик теплообменников. ТН с трубами d 25*2

ГОСТ 15118-79 (3) т. 4.12, характеристик кожухотрубных аппаратов типа ТН

По ГОСТ 9929-77, принимаем длину теплообменных труб l_н = 3 м (1) табл.10

Принятая поверхность теплообмена:

F _т = π * d_р* l_н * n₀ = 3,14*0,023*3*24 = 5,2 м²

2.23. Схема процесса теплопередачи.

Удельный тепловой поток:

q = К*∆t_ср = 475,62*30,2 = 14364 Вт/ м²

Разность температур конденсата и наружной поверхности стенки трубы:

∆t₁ = q/  = 14364/2916,7 = 5 ^оС

Температура наружной поверхности стенки трубы:

t_ст1 = t^кд_ср - ∆t₁ = 84,5 – 5 = 79,5 ^оС

Разность температур поверхности стенки и бульона:

∆t₂ = q/   = 14364/1853 = 7,8 ^оС

Температура внутренней поверхности стенки трубы:

t_ст2 = t^б_ср - ∆t₂ = 80,5 – 7,8 = 72,7 ^оС

 

Конденсат водяного пара                   tкдср =84,5оС                  tст1=79,5 оС   =2916,7 Вт/(м2 ∙К)                             rз1

рыбный бульон   tбср =80,5 оС                 tст2=72,7 оС q =14364 Вт/ м² =1853 Вт/(м2 ∙К)    rз2