Контрольная работа: Проектирование горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата для подогрева продукта пер
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 40о до 450о С.
Исходные данные:
1. Расход рыбного бульона:
массовый: Gб = 0,5 кг/с
2. tнб = 140С
tбк = tкип
3. Греющий агент – конденсат водяного пара
tнкд = 1380С
tккд = 340С
2. Расчетная часть
2.1 Теплотехнический расчёт
Температура конденсации греющего пара tнкд = 1380С
Начальная температура конденсата на входе в греющую камеру теплообменника tнкд = 1380С
Температура кипения рыбного бульона определяем, приняв дополнительные данные для расчёта. Подпрессовый бульон концентрацией Вн = 6%, прошедший очистку в грязевом сепараторе, подается в вакуум-выпарную установку с вертикальными кипятильными трубами высотой Нтр = 3м и упаривается до конечной концентрации Вк = 20% (2) стр.547-551. Принимаем, что рыбный бульон начальной концентрации Вн = 6% содержит:
Сухих веществ – Внс = 4,5%
Жира — Внж = 1,5%
Уравнение материального баланса процесса выпаривания (3) 5.2
Gн * Вн = Gк * Вк
Выход упаренного бкльона:
Gк = Gн * Вн / Вк = 0,5*6/20 = 0,15кг/с
Конечная концентрация сухих веществ:
Вкс = Gн * Внс / Gк = 0,5*4,5/0,15 = 15%
Конечная концентрация жира:
Вкж = Вк — Вкс = 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* В1,1к * Ра0,17 = 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 tкип = 950С.
Плотность бульона Вк = 20% при tкип = 950С.
1/ρ = 10-2 *((100 — Вк )/ ρв + Вкс / ρс + Вкж / ρж ) 5(73)
Плотность воды ρв = 961,5 кг/м3 (3) т XXXIX
Плотность сухих веществ (треска): (6) II 129.
ρс = 1305 — 307Wk = 1305 — 307*0,8 = 1059,4 кг/м3 ,
где W = 100 — Вк /100 = 100 – 20/100 = 0,8 сухих веществ в сотых долях.
Плотность жира: (6) II 277
ρж = 1098 – 0,605 Ткип = 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
Нопт = (0,26 + 0,0014 * (ρ– ρв ) * 3
Нопт = (0,26 + 0,0014 * (970,2 – 961,5) * 3 = 0,82 м.
Давление в среднем слое упариваемого бульона: (3) 5.22
Рср = Р1 + 0,5*ρ*g* Нопт = 75000+0,5*970,2*9,81*0,82 = 78902 Па = 78,9 кПа
Температура кипения воды при данном давлении:
tср = 93,130С (1) Т.4
Гидростатическая депрессия: (3) 5.25
∆ʼʼ = tср – t1 = 93,13 – 91,75 = 1,380С
Температура кипения бульона: (5) 13
tк = t1 +∆ʼ+∆ʼʼ = 91,75 + 1,4 + 1,38 = 94,530С
2.3. Температурная схема процесса:
|
Большая разность температур:
∆tб = tкдн — tбк
∆tб = 138-94,53=43,47 о С [2] стр 227.
Меньшая разность температура:
∆tм = tкдк — tбн
∆tб = 34-14=20 о С
Отношение ∆tб /∆tм = 43,47/20 = 2,1735 ˃ 2 (3) стр. 169
2.4. Средняя разность температур:
∆tср = (∆tб — ∆tм ) / ln (∆tб /∆tм ) [3] 4.78
∆tср = (43,47-20)/ln 2.1735= 23,47/0.7763=30,2o С
2.5. Изменение температуры:
Конденсата: ∆tкд = tкдн — tкдк = 138 – 34 = 104 o С
Бульона: ∆tб = tбк — tбн = 94,53 – 14 = 80,53 o С
∆tкд ˃∆tб, следовательно (3) стр. 170 средняя температура бульона (3) 4.82:
tбср = (tк + tн )/2 = (94,53 + 14) / 2 = 54,265 o С
Средняя температура конденсата: (3) 4.82.
tкдср = tбср + ∆tср = 54,265 + 30,2 = 84,469 o С
2.6. Теплофизические характеристики бульона концентрацией Вн = 6%, при
средней температуре Тср = 273 + tбср = 273 + 54,265 = 327,265К
Плотность: (5) 73
1/ρ = 10-2 *((100 – Вн )/ ρв + Вс / ρс + Вж / ρж )
ρв = 986,4 кг/ 7Wk = 1305 — 307*0,8 = 1059,4 кг/м3 – плотность сухих веществ
ρж = 1098 – 0,605 Ткип = 1098 – 0,605*(273 + 95) = 875,4 кг/м3 – плотность жира
1/ ρб = 10-2 *((100 — 6)/ 986,4 + 15/ 1059,4 + 5/ 875,4) = 0,001516
ρб = 659,63 кг/м3
Удельная теплоёмкость (5) 74:
С = 10-2 *((100 – Вн )* Св + Вс * Сс + Вж * Сж )
Св = 4,18 кДж/кг*К – удельная теплоёмкость воды (3) т. XXXIX
Сс = 3130 – 5,02 * Тср = 3130 – 1642,87 = 1487,13 Дж/кг*К — удельная теплоёмкость сухих веществ (6) II 133
Сж = 1031 + 3,025 * Тср = 1031 + 989,98 = 2020,98 Дж/кг*К
Сб = 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 – Вн )/ λв + Вс / λс + Вж / λж )
λв = 0,625 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности воды (3) т. XXXIX
λс = 0,531 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности сухих веществ (6) т. II 8
λж = 0,359 * 0,00064 * Тср = 0,359 * 0,00064 * 327,265 = 0,075 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности жира (6) II 289.
1/ λб = 10-2 *((100 – 6)/ 0,625 + 15/ 0,531 + 5/ 0,075) = 2,3912
λб = 0,418 Вт/(м*К)
Динамический коэффициент вязкости: (4) II-12
µб = µср (1 + 2,5φ)
µср = 0,507 мПа*с – динамический коэффициент вязкости воды (среды) (3) т. XI
φ = Вн /100 = 6/100 = 0,06 – начальная концентрация в сотых долях
µб = 0,507*(1+2,5*0,06) = 0,58305*10-3 Па*с.
2.7. Теплофизические характеристики конденсата при средней температуре.
tкдср = 84,469 o С (3) XXXIX
ρкд = 968,5 кг/ м3
λкд = 0,687 Вт/(м*К)
Скд = 4,220 кДж/(м*К)
µкд = 0,3361*10-3 Па*с
2.8. Тепловой поток (5). 2
Q = Gн * Сб * (tк – tн ) = 0,5*4253,32*(94,53-14) = 171260 Вт
2.9. Расчет конденсата с учётом 5% тепловых потерь в окружающую среду: (1) стр.44
xн = 1,05
СТкд = xн * Q/ Скд * (tкдн — tкдк ) = 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:
dв = dн — 2δст = 25 — 2*2 = 0,021 м
Расчётный диаметр:
dр = dн — δст = 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* Gбн /π* dв *Re* µб = 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*∆tср = 171260/800*30,2 = 7,09 м²
Расчётная длинна одной трубки при одном ходе:
L1 =0,318*F /dр *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* dн = 1,3*25 = 32,5 мм (1) стр.66.
Принимаем радиус окружности, на который располагаются внутренние трубки:
r = 2* dн = 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.
Dв = Dʼ + 4* dн = 360 + 4*25 = 460 мм
Принимаем внутренний диаметр теплообменника dв = 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 Dв = 0,46 м
2.11. Скорость бульона в трубках: (1) 38.
ωб = Gн /0,785* d²в * n1 * ρб = 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 = ωб *dв * ρб /µб = 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 * Re0,8 * Pr0,43 *(Pr/Prст )0,25
Критерий Прандтля: (3) 4.12.
Pr б = Сб * µб / λб = 4253,32*0,58305*10-3 /0,418 = 5,93.
Принимаем отношение (Pr/Prст )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 * λб / dв = 93,1*0,418/0,021 = 1853 Вт/(м²*К).
2.14. Проходное сечение межтрубного пространства: (1) 3.3.
S = 0,785*( D²в — n0 * d²н ) = 0,785*(0,2116 — 24*0,000625) = 0,154 м²
2.15. Эквивалентный диаметр dэ = dв = 0,021 м.
2.16. Скорость конденсата в межтрубном пространстве: (1) стр. 64.
ωкд = Gкд /0,785* d²в * n1 * ρкд = 0,41/0,785*0,000441*4*968,5 = 0,31 м/с
2.17. Критерий Рейнольдса:
Rе кд = ωкд *dэ *ρкд / µкд = 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 * εφ * Re0,6 * Pr0,36 *(Pr/Prст )0,25
Поправочный коэффициент на обтекание сегментных перегородок, поддерживающих трубы (3) стр.157 εφ = 0,6.
Критерий Прандтля для конденсата:
Prкд = С кд * µкд / λкд = 4220*0,3361*10-3 /0,687 = 2,065
Принимаем для охлаждающегося конденсата отношение:
(Pr/Prст )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 * λкд / dн = 106,14*0,687/0,025 = 2916,7
2.19. Термическое сопротивление загрязнения стенки трубы со стороны конденсата:
rз1 = 1/2500 м²*К/Вт
Термическое сопротивление загрязнений трубы со стороны бульона
rз2 = 1/2900 м²*К/Вт (органическая жидкость) (3) т. XXXIX
Коэффициент теплопроводности стали:
λст = 42 Вт/м*К (3) т. XXVII
Суммарное термическое сопротивление стенки трубы: (5)
Σ rст = rз1 + δст / λст + rз2 = 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 rст + 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*∆tср = 171260/475,62*30,2 = 11,92 м²
2.22. Расчётная длина трубок: (1) стр.65
l = F/ π * dр * 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 lн = 3 м (1) табл.10
Принятая поверхность теплообмена:
F т = π * dр * lн * n0 = 3,14*0,023*3*24 = 5,2 м²
2.23. Схема процесса теплопередачи.
Удельный тепловой поток:
q = К*∆tср = 475,62*30,2 = 14364 Вт/ м²
Разность температур конденсата и наружной поверхности стенки трубы:
∆t1 = q/= 14364/2916,7 = 5 о С
Температура наружной поверхности стенки трубы:
tст1 = tкдср — ∆t1 = 84,5 – 5 = 79,5 о С
Разность температур поверхности стенки и бульона:
∆t2 = q/ = 14364/1853 = 7,8 о С
Температура внутренней поверхности стенки трубы:
tст2 = tбср — ∆t2 = 80,5 – 7,8 = 72,7 о С
|
|
3.Конструктивный расчет.
3.1. Высота (длина) днища h. Принимаем h/ DН = 0,2 (1) т.58.
Находим высоту днища, приняв предварительно наружный диаметр корпуса теплообменника: DН = 0,608 м.
h = 0,2* DН = 0,2*0,608 = 0,125м.
3.2. Длина входной и промежуточной камер:
L кам = 2* h = 0,25м
3.3. Длинна корпуса теплообменника:
L к = lн + 2* L кам = 9 + 2*0,25 = 9,5м.
3.4. Габаритная длина теплообменника:
L т = L к + 0,1 = 9,5 + 0,1 = 9,6 м.
3.5. Расстояние от фланца до оси патрубка входа конденсатора,
принимаем = 0,15 м.
3.6. Диаметр окружности центров болтовых отверстий принимаем
Dб = Dв + 0,07 = 0,6 + 0,07 = 0,67 м
3.7. Наружный диаметр фланца корпуса принимаем:
Dф = Dб + 0,05 = 0,67 + 0,05 = 0,72 м.
3.8. Диаметр патрубков для бульона: (1) 3.42.
dр = 1,13*ρ), где ω = 2 м/с – средняя скорость жидкости в нагнетательных проводах насосных установок. (1) т.3.3.
dр = 1,130,5/(970,2*2) = 0,018м.
Принимаем патрубки из стальной бесшовной горячекатаннойной трубы
По ГОСТ 8732-78 диаметром d 32*3 мм (1) т.22.
3.9. Диаметр патрубков для конденсата:
dкд = 1,13*ρ) = 1,130,785/(968,5*1) = 0,032м,
где ω = 1 м/с – для конденсата греющего пара.
Принимаем трубы из стальной бесшовной горячекатаннойной трубы
По ГОСТ 8732-78 диаметром d 32*3 мм (1) т.22.
4. Гидравлический расчёт.
Гидравлический расчёт выполняют для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление этих потерь, а также выбора средств для транспортировки теплоносителей при движении их через аппарат и все другие каналы (трубопроводы) установки.
4.1. Расчётная гидравлическая схема
|
|
|
|
|
|
Весь путь движения продукта делим на 3 участка.
4.2. Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи бульона из бака в теплообменник. Принимаем диаметр трубопровода d = 32*2,5мм. Внутренний диаметр трубопровода и эквивалентный диаметр:
dв = dэ = dн — 2* δст = 32 — 2*2,5 = 27 мм = 0,027 м.
Плотность бульона концентрацией Вн = 6% при начальной температуре
tнб = 140С:
Тн = 273 + tнб = 273 +14 = 287 К.
1/ρб = 10-2 *((100 – Вн )/ ρв + Вс / ρс + Вж / ρж ) 5(73)
ρв = 999,4 кг/м3 (4) т.3
ρс = 1016,4 кг/м3, (6) II. 129.
ρж = 1098 – 0,605* Тн = 1098 – 0,605*287 = 924,3 кг/м3 .
1/р = 10-2 ((100 — 6)/ 999,4 + 4,5/ 1016,4 + 1,5/ 924,3) = 0,10005*10-3 м3 / кг
ρб= 999,5 кг/м3
Динамический коэффициент вязкости: (4) II. 12.
µб = µс (1 + 2,5φ) = 1,098*(1+2,5*0,06) = 1,263*10-3 Па*с.
Где µс = 1,098 мПа*с – динамический коэффициент вязкости среды (3) т.VI.
Скорость бульона в трубопроводе:
ωб = Gн /0,785* d²в * ρб = 0,5/0,785*0,000441*659,63 = 2,19м/с
Критерий Рейнольдса:
Re б = ωб *dэ * ρб /µб = 2,19*0,027*659,63/1,263*10-3 = 30882˃10000 – развитое турбулентное течение.
Коэффициент трения: (1) 3.56.
λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² = 0,023
Принимаем длину трубопроводов l = 3 м
Местные сопротивления:
Вход в трубопровод ξ1 = 1 (3) стр.26
Калено гладкое: R = 4d – 2 = ξ =1*2 = 2
Вентиль нормальный D25 мм – 2:
ξ = 6*2 = 12 (3) т. XIII
Сумма местных сопротивлений:
Σ ξ = 1+2+12 = 15
Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.
4.3. Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи конденсата из сборного бака в теплообменник.
Диаметр трубопровода оставляем как и для бульона d = 32*2,5мм
dв = dэ = 0,027 м.
Длина трубопровода l = 3 м
Плотность конденсата при начальной температуре tнкд = 1380С (3) т.XXXIX, ρкд =927,9 кг/ м3
Динамический коэффициент вязкости конденсата
µкд = 0,199*10-3 Па*с
Критерий Рейнольдса:
Re кд = ωкд *dэ * ρкд /µкд .
Скорость конденсата:
ωкд = Gкд /0,785* d²в * ρкд = 0,785/ 0,785*0,000441*927,9 = 2,45 м/с
Re кд = 2,45*0,027*927,9/0,000199 = 321741 ˃ 105 (1) стр. 78
Абсолютная средняя шероховатость труб ∆ = 0,1мм = 0,0001 м
Относительная шероховатость трубы:
е = ∆/ dэ = 4*10-3 м
Коэффициент трения:
λ = 1/(0,78*ln(3,7/е))² = 0,035
Местные сопротивления:
Вход в трубопровод: ξ = 1
Вентиль нормальный D25 мм – 2: ξ = 6*2 = 12
Колено гладкое 90˚: R = 4d – 3, ξ =1*3 = 3
Сумма местных сопротивлений:
Σ ξ = 1+3+12 = 16
Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.
4.4. Гидравлическое сопротивление по линии бульона:
Коэффициент трения:
λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² =0,17
Длина канала l = z* lн = 6,13*3 = 18,4 м.
Эквивалентный диаметр dв = dэ = 0,021 м
Местные сопротивления:
Входная и выходная камеры – 2:
ξ = 1,5*2 = 3
Вход в трубки и выход из них 12:
ξ = 1*12 = 12
Поворот на 180˚ через промежуточную камеру – 5:
ξ =2,5*5 = 12,5.
Вентиль нормальный Dу = 25 мм – 2:
ξ = 6*2=12
Сумма местных сопротивлений:
Σ ξ = 3 +12 + 12,5 + 12 = 39,5
Полное гидравлическое сопротивление по линии бульона:
4.5. Полное гидравлическое сопротивление по линии конденсата:
Коэффициент трения при Re = 18759:
λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² =0,026
Длина канала l = L = 3м
Местные сопротивления:
Входная и выходные камеры = 1,0*4=4 [3] стр.26
Вход в трубки и выход из них: =1,0*6=6
Поворот на 180 через промежуточную камеру: =2,5*5=12,5
Вход в межтрубное пространство под углом 90˚ к рабочему потоку — ξ = 1,5
Выход из межтрубного пространства под углом 90˚ — ξ = 1
Огибание перегородок, поддерживающих трубы:
Принимаем расстояние между перегородками l = 0,5 м
Число перегородок n = L/l — 1 = 3/0,5 — 1 = 5
ξ = 0,5*5 = 2,5
Вентиль нормальный Dу25 – 2
ξ = 6*2 = 12
Сумма местных сопротивлений:
Σ ξ = 4 + 6 + 12,5 + 1,5 + 1 + 2,5 + 12 = 39,5
Полное гидравлическое сопротивление по линии конденсата:
4.6. Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи бульона в выпарную установку.
Плотность бульона концентрацией Вн = 6% при конечной температуре
tбк = 94,53˚С
Тн = 273 + tбк = 367,53 К
1/ρб = 10-2 *((100 – Вн )/ ρв + Вс / ρс + Вж / ρж ) 5(73)
ρв = 960 кг/м3 (4) т.3
ρс = 1016,4 кг/м3, (6) II. 129.
ρж = 1098 – 0,605* Тн = 1098 – 0,605*367,53 = 875,64 кг/м3 .
1/р = 10-2 ((100 — 6)/ 960 + 4,5/ 1016,4 + 1,5/ 875,64) = 0,00104063 м3 / кг
ρб= 961 кг/м3
Динамический коэффициент вязкости: (4) II – 12
µб = µс (1 + 2,5φ) = 0,345*(1+2,5*0,06) = 0,4*10-3 Па*с.
Где µс = 0,345 мПа*с – динамический коэффициент вязкости среды (3) т.VI.
Скорость бульона в трубопроводе:
ωб = Gн /0,785* d²в * ρб = 0,5/0,785*0,000441*961 = 1,5 м/с
Критерий Рейнольдса:
Re б = ωб *dэ * ρб /µб = 1,5*0,027*961/0,4*10-3 = 97301˃10000 – развитое турбулентное течение.
Абсолютная средняя шероховатость новых стальных труб:
Δ = 0,1 мм = 0,0001 м
Относительная шероховатость трубы:
е = Δ/ dэ = 0,0001/0,027 = 4*10-3
Коэффициент трения: (1) 3.56.
λ = 1/(0,87*ln (3,7/е ))² = 0,028
Местные сопротивления:
Вентиль нормальный ξ = 6
Выход из трубы ξ = 1
Сумма местных сопротивлений:
Σ ξ = 1+6 = 7
Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.
4.7. Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости Нг = 5 м (конструктивно).
Потеря давления, развиваемого насосом на подъём конденсата:
= ρкд * g * Нг = 927,9*9,81*5 = 45513 Па
Потеря давления, развиваемого насосом на подъём бульона:
= ρб * g * Нг = 987*9,81*5 = 48412 Па
4.8. Подбор насоса для подачи бульона:
Полный напор развиваемый насосом: (3) стр.91
= +++= 27770 + 65132 +10930 + 48412 = 143244 Па
Объёмная производительность насоса:
Vб = Gн /ρбн = 0,5/999,5 = 1,39*10-3 м3 /с = 5 м3 /ч.
Потеря напора:
Н = / ρ*g = 143244/987*9,81 = 15 м.вод.ст.
Принимаем центробежный насос марки X8/18, КПД насоса = 0,5
Мощность электродвигателя:
N = Vб */= 1,39*10-3 *143244/0,5 = 398 Вт
Принимаем электродвигатель серии 2В 100S2 мощностью N2 = 4,0 кВт
4.9. Подбор насоса для перекачивания конденсата.
Полный напор, развиваемый насосом:
= ++= 55388 + 2011 + 45513 = 102912 Па.
Объёмная производительность:
Vкд = Gкд /ρкдн = 0,785/927,9 = 0,846*10-3 м3 /с = 3,05 м3 /ч.
Потеря напора:
Н = / ρ*g = 102912/927,9*9,81 = 11 м.вод.ст.
Принимаем центробежный насос марки X8/18, КПД насоса = 0,5
Мощность электродвигателя:
N = Vкд */= 0,846*10-3 *102912/0,5 = 174 Вт
Принимаем электродвигатель серии 2В 100S2 мощностью N2 = 4,0 кВт
5. Механический расчёт
5.1. Основные детали теплообменника: корпус, фланцы, днища, обечайки, болты, принимаем из стали ст.3 (1) стр.83
Номинальное допускаемое напряжение стали Вст3 ,
=132 МПа
Поправочный коэффициент для обогреваемого корпуса с отверстиями для приварки патрубков и выпуклых днищ :
=0,9 – для корпуса
=0,95 – для днища с отверстиями
Расчётное допускаемое напряжение на растяжение для стали Вст3 (1 стр.48)
Для корпуса:
МПа
Для днища:
МПа
Коэффициент прочности сварного стыкового шва, свариваемого электросваркой вручную =0,7
5.2. Толщина стенки корпуса:
Р = 45513 Па = 0,045 мПа – принимаем давление в корпусе аппарата равным давлению, развиваемому насосом подачи конденсата.
С = 0,003 м – конструктивная добавка на коррозию, овальность
5.3. Толщина выпуклого днища:
Р = 135611 Па = 0,14 мПа – давление во входной камере, равное давлению, создаваемому насосом подачи бульона.
dн = dв + 2*δ1 = 0,6 + 2*0,004 = 0,608м – наружный диаметр корпуса.
Фактор формы днища – К = 2,1 (1) стр.124
Отношение h / dн =0,125/0,608 = 0,21
Отношение (t+d)/ dн = (0,1+0,032)/0,608 = 0,22
Толщина выпуклого днища:
= (0,14*0,608*2,1)/(2*125,4*0,7)+0,003 = 4*10-3 мм
5.4. Расчёт болтов фланцевого соединения корпуса.
Усилие, открывающее днище входной камеры от фланца (1) 5.119
Q = π* d²ср *(Р/4) = 3,14*0,72²*(0,21/4) = 0,085мм
Принимаем предварительно внутренний диаметр резьбы болта (1) т.13
Dв = 14 мм = 0,014 м
Принимаем отношение шага расположения болтов к внутреннему диаметру:
S/ Dв = 5
Шаг болтов, предварительно: (1) стр.157
z = π* Dв /t = 3,14*0,6/0,07 = 30
Принимаем число болтов кратное четырём z = 32
Уточнённый шаг болтов:
t=π* Dб / z = 3,14*0,67/32 = 0,066м
Усилие на один болт:
Р0 = К*Q/z = 2*0,085/32 = 5,3*10-3 мм,
где К=2 – коэффициент затяжки болта для мелких прокладок (1) стр.157
Внутренний диаметр резьбы болта (1) 5.123.
D=1,13+0,005=1,13+0,005= 0,0125 м = 12,5 мм
Принимаем болты с шестигранной головкой нормальной точности по ГОСТ 7798-70 (1) т.13
Номинальный диаметр резьбы 16 мм.
Шаг резьбы – крупный, резьба метрическая М16
5.5. Толщина круглого приварного фланца: (1) 5.125.
δ= β+C
β=0,43 – коэффициент для фланцев, имеющих прокладку по всей торцевой поверхности (1) стр.159
r0 = Dб /2 = 0,67/2 = 0,335м – радиус окружностей центров болтовых отверстий
r = Dв /2 = 0,6/2 = 0,3м – внутренний диаметр корпуса
d = 0,018м – диаметр болтового отверстия
δн = δ = 118,8 мПа – допускаемое напряжение на изгиб (1) 5.2
С = 0,004м – конструктивная прибавка (1) 158.
δ= β+C = 0,43+0,004 = 8,7*10-3 м = 9 мм
6. Расчёт тепловой изоляции.
Тепловая изоляция используется для уменьшения тепловых потерь, повышения эффективности использования теплоносителя, выполняя требования техники безопасности и защиты поверхности от коррозии.
6.1. Принимаем температуру на поверхности изоляции, согласно санитарным нормам t= 40C
6.2. Принимаем температуру окружающего воздуха t =20C
6.3. Принимаем теплоизоляционный материал: минераловатно-асбестовые плиты К = 4, коэффициент теплопроводности = 0,079 ВТ/мК
6.4. Коэффициент теплопередачи в окружающую среду
= +=9,74+0,07=9,74+0,07(40-20)=11,14 ВТ/мК
6.5. Удельный тепловой поток от изолированной поверхности к окружающему воздуху:
q = ) = 11,14*(40-20) = 222,8 ВТ/м
6.6. Толщина тепловой изоляции:
q *= (0,079/222,8*(138-40)) = 0,035 м = 35мм
Список используемой литературы:
1. Солнцев В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств и химической технологии: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию. — Влад.: ТГЭУ, 2006.-100 с.
2. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1987.-239 с.
3. Соколов В.И. Основы расчёта и конструирования машиностроения и аппаратов пищевых производств. – М.: Машиностроение, 1983.-484 с.
4. Расчёты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств/ под ред. С.М. Гребешока. – М. – Агропромиздат, 1987. – 304 с.