Проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника

Проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника

Вступ

Процеси харчової технології відбуваються у заданому напрямі лише при певній температурі, яка досягається шляхом підведення або відведення теплової енергії.

У технологічних процесах вимагається або якомога краща теплопередача, або, навпаки, якомога краще запобігання теплообміну. До першого випадку відноситься передача тепла у нагрівальних та холодильних пристроях, а до другого - захист від втрат тепла або ізоляція з метою уникнення термічного впливу.

Перехід тепла з однієї частини простору у другу може відбуватися дією теплопровідності, випромінюванням та конвекцією.

У теплообмінному апараті один теплоносій (тепловіддавальний) передає теплоту іншому теплоносію (теплосприймаючому). За принципом дії теплообмінники діляться на рекуперативні (теплота передається від одного теплоносія до другого крізь стінку, що їх розділяє), регенеративні (одна й та ж теплообмінна поверхня, яка акумулює тепло, обмивається поперемінно гарячим та холодним теплоносіями) та змішувальні (передача теплоти відбувається при безпосередній взаємодії теплоносіїв) - пароконтактні підігрівачі, конденсатори змішування, скрубери.

Охолодження рідин найчастіше проводять у поверхневих холодильниках, де теплообмін між рідиною, яку охолоджують, та середою, що охолоджує, протікає не при їх безпосередньому контакті, а шляхом передачі тепла крізь металеві стінки. У якості охолоджуючого агенту частіше за все використовують воду.

Різноманітність конструкцій теплообмінних апаратів пояснюється різним призначенням апаратів та умовами проведення процесів у різних галузях харчової промисловості.

Вибір конструкції теплообмінного апарату повинен ґрунтуватися на наступних критеріях:

·        відповідність технологічному процесу;

·        задана продуктивність;

·        висока ефективність;

·        надійність у роботі;

·        економічність;

·        низька матеріалоємність;

·        раціональна технологія виготовлення;

·        корозійна стійкість у робочих середовищах.

Зазвичай жодна з конструкцій теплообмінника не задовольняє повністю усім переліченим критеріям. Тому вибір обмежують конструкцією з якостями, наближеними до найбільш важливих вихідних вимог.

1. Опис теплообмінника, що проектується

Теплообмінник (лист 1) призначено для нагріву та охолодження до потрібної температури рідких продуктів харчового виробництва.

Теплообмінник складається зі сталевого циліндричного корпусу зварної конструкції 1, до якого зверху та знизу приварено фланці 2 та 3. До фланців 2 та 3 за допомогою відкидних болтів 4 кріпляться верхня кришка 7 та нижня кришки 8, які з’єднано з корпусом за допомогою шарнірів. В середині корпусу вварено трубні решітки: верхня 9 та нижня 10. У решітках закріплено теплообмінні трубки 11.

Простори (камери) між кришками та трубними решітками у верхній та нижній частині корпуса теплообмінника розділено перегородками на секції. Перегородки верхньої камери зміщені відносно перегородок нижньої камери таким чином, що сік послідовно проходить по всім секціям теплообмінника.

Міжтрубний простір розділено вертикальними перегородками 12 на 4 ходи. В кожному ході встановлені горизонтальні поперечні перегородки 13, які підтримують трубки та повертають потік охолоджуючої води в напрямі, перпендикулярному до теплообмінних трубок 11.

Кришки теплообмінника з’єднані між собою важільною системою 15, яка забезпечує їх легке та синхронне відкривання. Важільна система має пристрій для регулювання довжини тяги 16. Щоб верхня кришки не перекидалась у бік, протилежний закриванню, до верхніх кронштейнів шарнірного механізму приварено упор 14.

Основною деталлю шарнірного механізму є вал, на одному кінці якого є права, а на другому - ліва трапецеїдальна різьба. Гайка на нижньому кінці валу закріплена в кронштейні, привареному до корпусу теплообмінника 1, а гайка - на верхньому кінці валу закріплена в горизонтальній траверсі. Кінці траверси вставлені в отвори важелів верхньої кришки та зашплінтовані, при цьому кришка може повертатися навколо горизонтальної осі.

В середній частині валу жорстко закріплений штурвал, за допомогою якого можна обертати вал. При обертанні валу за годинниковою стрілкою його нижній кінець вгвинчується в нерухому гайку, а верхня гайка одночасно нагвинчується на верхній кінець валу, спускаючись донизу разом з траверсою та важелями верхньої кришки. При цьому верхня кришка 5 і зв’язана з нею тягою нижня кришка 6 відкриваються, а нижня зрівноважує своєю масою верхню, що забезпечує легке їх відкривання. При обертанні штурвалу в зворотному напрямку кришки закриваються, причому роль противаги в цьому випадку виконує верхня кришка 5. Верхня і нижня кришки теплообмінника ущільнюються паронітовими прокладками перерізу.

На верхній кришці передбачені повітряні крани 17, а в верхній частині перегородок верхньої камери - отвори для проходу повітря із секції в секцію при наповненні теплообмінника продуктом і його спуску. Продукт спускають перед відкриванням кришок через крани 17, розташовані на нижній кришці (по одному на кожну секцію). З кранів продукт зливають в загальну воронку.

Для підводу і відводу теплоносіїв теплообмінник оснащений патрубками, штуцерами для манометрів та штуцерами для термометрів.

Теплообмінник встановлюється у вертикальному положенні на чотирьох лапах, приварених до корпусу.

Теплообмінники комплектуються засобами автоматичного регулювання температури сусла, що підтримується в заданих межах шляхом зміни подачі охолоджуючої води в теплообмінник за допомогою регулювального клапана.

При монтажі теплообмінники встановлюють на другому поверсі виробничої будівлі, причому опорні лапи теплообмінників приварюються до несучих балок перекриття.

.2 Місце та призначення теплообмінника у технологічній схемі виробництва пива

Технологічна схема виробництво пива з солоду, несолоджених матеріалів, хмілю і води з застосуванням ряду допоміжних матеріалів (лист 2) складається з наступних операцій:

·    подрібнення солоду і несолоджених матеріалів;

·        зберігання та очистка;

·        приготування сусла;

·        підготування чистої культури дріжджів;

·        головне бродіння;

·        доброджування (дозрівання) пива;

·        фільтрування та освітлення пива;

·        фасування і розлив пива.

Очищений солод подрібнюється у вальцевій дробарці 1 з метою отримання максимальної кількості дрібної однорідної крупки та збереження шелехи. Подрібнений солод зважують вагами 2 та зсипають в бункер 3. Відлежаний подрібнений солод проходить магнітну очистку в магнітному вловлювачі 4 та подається в заторний апарат 5, де змішується з теплою водою (біля 60 С) і перемішується. По закінченні перемішування (затирання) частину заторної маси (біля 40%) перекачують в інший заторний апарат 6, де нагрівають до температури оцукрювання (біля 70 С), а по закінченні оцукрювання - до кипіння. При кипінні крупні частки солоду розварюються, після чого першу відварку повертають в апарат 5. При змішуванні киплячої частини затору з затором, що залишився в апараті 5, температура всієї маси досягає 70 С. Затор лишають у спокої для оцукрювання.

По закінченні оцукрювання частину затору знову перекачують в апарат 6 (друга відварка) і нагрівають до кипіння для розварювання крупки. Другу відварку повертають в апарат 5, де після змішування обох частин затору його температура підвищується до 75…80 С. Після цього весь затор перекачують у фільтраційний апарат 7. Після фільтрації прозоре сусло стікає в сусловарочний апарат 8.

В апараті 8 сусло кипить з хмелем. При кипінні сусла випарюється деяка кількість води, відбуваються часткова денатурація білків сусла та його стерилізація. Гаряче охмелене сусло спускають у хмелевідділювач 9, де виварені хмелеві пелюстки затримуються, а сусло перекачується в збірник гарячого сусла 10.

Гаряче сусло зі збірника 10 подається у відцентровий тарільчастий сепаратор 11, в якому воно очищується від частинок коагульованих білків. З сепаратора 11 сусло нагнітається в кожухотрубний теплообмінник 12, де охолоджується до 15 С. Охолоджене сусло зливають в бродильний чан 13 разом з дріжджами з чану 14. Бродіння триває 6…8 діб. По закінченні головного бродіння молоде пиво відділяють від дріжджів та перекачують в танк 15 для доброджування протягом 11…90 діб. По закінченні доброджування пиво під тиском діоксиду вуглецю нагнітається у сепаратор-освітлювач 16 і фільтр 17, де воно звільняється від дріжджів, інших мікроорганізмів та дрібнодисперсних частинок. Освітлене пиво охолоджується розсолом в теплообміннику 18, насичується (за необхідності) діоксидом вуглецю в карбонізаторі 19 і зливається в танк 20. Відфільтроване пиво з танку 20 під тиском подається у відділення розливу.

Теплообмінник, що проектується, займає на розглянутій схемі поз 12. Його завдання - швидке охолодження пивного сусла від 61 С до 15 С перед початком бродіння. Процес має бути максимально наближеним до протитечійного з метою зменшення кількості охолоджуючої води. Відпрацьована вода має температуру 45 ° С, тому її може бути застосовано як на господарсько - побутові, так і на виробничі потреби.

трубка тепловий ізоляція апарат

2. Розрахунки

.1 Матеріальний баланс

Теплообмінник, що проектується, призначено для охолодження охмеленого пивного сусла з 60 С до 15 С. 60 С - температура сусла після сепаратора, 15 С - температура бродіння для сортів пива верхового бродіння.

Для охолодження сусла використовується артезіанська вода з початковою температурою 6 С. В процесі охолодження сусла вода нагрівається до 45 С.

Проектна продуктивність теплообмінника - 54 т/год, що дорівнює 15 кг/с.

Теплофізичні властивості сусла вказано для значень температур 50 та 80 С. Для проведення розрахунків теплообмінника складаємо по двом відомим значення рівняння для лінійної екстраполяції табл. 1). Теплофізичні властивості води приймаємо по [3, с. 54]

Таблиця 1 Теплофізичні властивості охмеленого пивного сусла

Витрату води з урахуванням теплових втрат визначаємо з рівняння теплового балансу [4, с. 44]

де G2- витрата холодної води, кг/с;- витрата гарячого сусла, кг/с;- теплоємність води, кДж/ кг×К);- теплоємність сусла, кДж/ кг×К);п, t1к - початкова та кінцева температура сусла, відповідно, °С;п, t2к - початкова та кінцева температура води, відповідно, °С;

х - коефіцієнт, який враховує теплові втрати, приймаємо х=1,03.

Середня температура процесу для сусла 61+15)/2 = 38 °С, для води 6+45)/2 = 26 ° С. Відповідно c2 = 4,1850 кДж/ кг×К); c1 = 3,7616 кДж/ кг×К).

Визначаємо витрату води:

При охолодженні пивного сусла відпрацьована вода використовується для гарячого водопостачання.

2.2 Тепловий розрахунок апарату

.2.1 Визначення середньої різниці температур

З вихідних параметрів рис. 1) бачимо, що схемою теплообміну є протитечія.

                                                                          Сусло 61 С

                                                                             Вода 45 С

                            Сусло 15 С

                          Вода 6 С

Рис. 1. Схема процесу теплообміну

Найбільш повно теплоносії використовуються при протитечії. Середнє значення температурного напору при протитечії більше, ніж при прямотечії, за рахунок чого теплообмінник є більш компактним.

Розраховуємо різницю температур між гарячим та холодним теплоносієм та продуктом на кінцях теплообмінника:

а) більша різниця: DТб = 61 - 45 = 16 К;

б) менша різниця: DТм = 15 - 6 = 9 К.

Оскільки DТб/DТм < 2, використовуємо середньоарифметичне значення

де: DТср - середня різниця температур, К;

DТб - більша різниця температур, К;

DТб - менша різниця температур, К.

.2.2 Визначення параметрів теплоносіїв

Визначаємо середню температуру сусла

де t1сер - середня температура сусла, ° С.

Визначаємо середню температуру води

де t2сер - середня температура води, ° С.

Під час першого кроку температури стінок визначаємо приблизно як півсуму температур теплоносіїв:

де t1ст - температура стінки з боку сусла, ° С;ст - температура стінки з боку води, ° С.

.2.3 Визначення параметрів процесу теплоперенесення.

Виконуємо приблизний числовий розрахунок, виходячи з наступних умов:

-        трубки мельхіорові [5] Æ20´3 мм, тобто dвн=0,014 м;

-        швидкість руху сусла у трубках 2,15 м/с;

-        крок розміщення трубок у решітці, 26 мм;

-        швидкість течії води у найвужчому перерізі ряду трубок 0,2 м/с.

Визначення коефіцієнтів тепловіддачі від води до зовнішньої поверхні трубок α2 та від сусла до внутрішньої поверхні трубок α1 базується на емпіричних критеріальних рівняннях, по яких визначається число Нуссельта.

де Nu - число Нуссельта;

λ- коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт/ м×К);- визначальний геометричний розмір, м.

Визначаємо число Рейнольдса, яке характеризує гідродинамічний режим руху теплоносія.

де g - кінематична в’язкість, м/с.

Для течії сусла у трубках при температурі 38 ° С:

Для течії води між трубками при температурі 25,5 ° С:

Визначаємо числа Прандтля, які характеризують фізичні властивості теплоносіїв [6, с. 208]

де а - коефіцієнт температуропровідності, м/с.

Число Прандтля для сусла при 38,0 ° С Pr=1,337, при температурі стінки 31,75 ° С Prст=1,439.

Число Прандтля для води при 25,5 ° С Pr=6,141, при температурі стінки 31,75 °С Prст=5,239.

Число Нуссельта для тепловіддачі від сусла до стінки розраховуємо за критеріальним рівнянням [4, с. 45]:

= 0,21Re0,8Pr0,43 Pr/Prст)0,25

= 0,21×178100,8×1,3370,43× 1,337/1,439)0,25 = 586,4.

Число Нуссельта для тепловіддачі від води до зовнішньої стінки розраховуємо за критеріальним рівнянням [4, с. 45]:

= 0,41Re0,6Pr0,33 Pr/Prст)0,25

Визначальним розміром є діаметр труби, визначальною швидкістю є швидкість у найвужчому перерізі ряду.= 0,41×45150,6×6,1410,33× 6,141/5,239)0,25=0,41×155,9×1,82×1,04=121,0

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від води до зовнішньої поверхні трубок α2:

Визначаємо термічний опір матеріалу стінки [4, с. 47]:

де δст - товщина стінки, м;

λст- коефіцієнт теплопровідності стінки, для мельхіору 40 Вт/ м×К).

Розраховуємо загальний коефіцієнт передачі між середовищами

де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/ м2×К).

Цикл №1.

Розраховуємо різницю теплових навантажень з обох боків трубки:

А= α1Dt1 - α2Dt2

де А - різниця теплових навантажень, Вт/м2;

Dt1 - різниця температури сусла і внутрішнього боку стінки, К;

Dt2 - різниця температури зовнішнього боку стінки і води, К.

А= 23288× 38-31,75) - 3686× 31,75-25,5) = 122512,5 Вт/м2.

Необхідно, щоб різниця теплових навантажень з обох боків трубки не перевищувала 5%. Якщо ця умова не виконується, то відповідно до розрахованих вище значень теплових опорів знову визначаємо температуру зовнішнього та внутрішнього боку стінки. Після цього повторюємо розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі та перевірку.

Ці розрахунки повторюємо циклічно до тих пір, доки значення різниці теплових навантажень з обох боків трубки не знизиться до 5 %.

Перевіряємо умову, щоб різниця теплових навантажень з обох боків трубки не перевищувала 5%:

|A|- 0,05α1Dt1 £ 0

,5 - 0,05´23288´ 38-31,75) = 122512,5 - 7277,5 = 115235 > 0.

Умова не виконується, тому переходимо до наступного циклу уточнення параметрів процесу теплообміну.

Цикл №2.

Різницю температури сусла та температури стінки розраховуємо за формулою [4, с. 47]:

де Dt1 - різниця температури сусла та стінки, К;- коефіцієнт теплопередачі, Вт/ м2×К);

α1 - коефіцієнт тепловіддачі від сусла до стінки, Вт/ м2×К);

Розраховуємо температуру стінки з боку сусла:ст = t1сер - Dt1), 21)ст = 38 - 1,38 = 36,62 С°.

Різницю температури води та температури стінки розраховуємо за формулою [4, с. 47]:

Розраховуємо температуру стінки з боку води:

ст = t2сер - Dt2

ст = 25,5 + 8,71 = 34,21 С°.

Число Прандтля для сусла при температурі стінки 36,62 ° С. Prст=1,359.

Число Прандтля для води при температурі стінки 34,21 ° С Prст=4,960.

Розраховуємо число Нуссельта для тепловіддачі від сусла до стінки:= 0,21×178100,8×1,3370,43× 1,337/1,359)0,25 = 596,0.

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від сусла до внутрішньої поверхні трубок α1:

.

Розраховуємо Число Нуссельта для тепловіддачі від води до зовнішньої стінки:= 0,41×45150,6×6,1410,33× 6,141/4,960)0,25= 123,3.

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від води до зовнішньої поверхні трубок α2 [4, с. 44]:.

.

Розраховуємо загальний коефіцієнт передачі між середовищами

Розраховуємо різницю теплових навантажень з обох боків трубки:

А= 23670× 38-36,62) - 3756× 34,21-25,5) = -50,16 Вт/м2.

Перевіряємо умову, щоб різниця теплових навантажень з обох боків трубки не перевищувала 5%:

,16 - 0,05´23670´ 38-36,62) = 50,16 - 1633,2 = -1583 < 0.

Умова виконується, тому розраховані параметри процесу теплообміну приймаємо як остаточні для наступних етапів розрахунку.

.3 Розрахунок основних робочих елементів

Під час роботи теплообмінника на поверхні теплообміну відкладаються білки та інші забруднення. Вплив забруднень враховуємо, вводячи коефіцієнт використання поверхні теплообміну j. Дійсний коефіцієнт теплопередачі розраховуємо за формулою [4, с. 44]:

КД=jК

де КД - дійсний коефіцієнт теплопередачі, Вт/ м2×К);

j - коефіцієнт використання поверхні теплообміну, од.

Приймаємо j = 0,9. Тоді:

КД = 0,9´2607 = 2346 Вт/ м2×К).

З конструктивних міркувань теплообмінник що проектується, має один хід зовнішнього теплоносія вода) та парну кількість внутрішньотрубних. Таким чином схема руху теплоносіїв послідовно-змішана.

Для розрахунку теплообміну застосовуємо графоаналітичний метод [8, с. 253], який базується на використанні коефіцієнту y, яким коригується значення різниці температур між гарячим та холодним теплоносієм.

Схемі руху теплоносіїв у теплообміннику відповідає графік [8, с. 263] рис. 2). Для визначення y необхідно розрахувати значення допоміжних параметрів P, та R [8, с. 254]:

.

де - значення температурного напору, скориговане згідно схеми руху теплоносіїв, К.

Теплове навантаження теплообмінника Вт) визначаємо за формулою

Q=15×3761,6× 15-61) = - 2595504 Вт.

Рис. 2. Значення коефіцієнту y для теплообмінника з паралельно-змішаним током

З основного рівняння теплопередачі [4, с. 43] визначаємо орієнтовну площу поверхні теплопередачі:

де F - площа поверхні теплопередачі, м2.

Виходячі з заданої продуктивності апарату і швидкості руху рідини, по рівнянню витрати визначаємо площу прохідного перерізу трубок одного ходу [4, с. 48]

де: f1 - площа поперечного перерізу, м2;- витрата рідини, кг/с;

r - густина рідини, кг/м3;

ω - швидкість руху рідини у трубках, м/с.

Визначаємо кількість трубок в одному ході n1 відповідно до формули

де n1 - кількість трубок в одному ході, од.;вн - внутрішній діаметр трубки, м.

За конструктивних міркувань приймаємо трубки мельхіорові [5] Æ20´3 мм, тобто dвн=0,014 м. Розраховуємо кількість трубок:

Приймаємо по 42 трубки у кожному ході.

Розрахункова довжина трубок при одному ході [4, с. 48]:

де: L - розрахункова довжина однієї трубки, м;- площа поверхні теплообміну, м2;- розрахунковий діаметр трубки, приймаємо середнє значення 0,017 м.

Розраховуємо кількість ходів трубного простору [4, с. 49]:

де z - кількість ходів трубного простору, од;- робоча довжина трубок, яку приймаємо згідно [7] рівною 6,0 м.

Приймаємо кількість ходів z=8.

.4 Конструктивний розрахунок

З метою наближення процесу теплообміну до протитечійного внутрішній простір циліндричного корпусу розділяємо вертикальними переділами на 4 симетричні сектори. Вода послідовно проходить всі чотири сектори. В двох секторах вода рухається вниз, в двох інших - вгору. Для забезпечення руху води в трьох переділах вирізано вікна - у двох знизу, в одному зверху. Переділ, який знаходиться між вхідним та вихідним патрубками води - суцільний по всій висоті.

Рух сусла відбувається по пакетах труб, в кожному з яких 42 трубки. У кожному з чотирьох секторів розміщено по два пакети труб: в одному сусло рухається вниз, в іншому - вгору.

З конструктивних міркувань труби розміщено діагональними рядами. Один з пакетів включає три ряди по 12, 14 та 16 трубок, другий два ряди по 20 та 22 трубок рис. 3).

Таким чином середня кількість трубок у ряду дорівнює 17.

З метою забезпечення рівномірного обтікання водою усіх труб в кожному секторі встановлено горизонтальні переділи, які мають вирізи для перетікання води. Вирізи розміщуються по черзі - біля центру корпусу, та біля периферії корпусу.

Конструкція корпусу та внутрішніх переділів, розташування трубок забезпечують можливість безперешкодного виготовлення та складання конструкції.

За умови закріплення труб у трубній решітці шляхом розвальцювання крок розміщення приймаємо [4, с. 49]:

= 1,3dзов

де t - крок розміщення трубок у решітці, мм;зов - зовнішній діаметр трубок, мм.= 1,3×20 = 26 мм.

Рис. 3. Розміщення трубок у теплообміннику

Середню швидкість течії води у найвужчому перерізі ряду трубок розраховуємо за формулою:

де rв - густина води, 997 кг/м3; при 25,5 ° С [3, с. 54]-середня кількість трубок в одному ряді: 17 од;- відстань між поперечними переділами, приймаємо 720 мм.

Визначаємо розміри патрубків за формулою [4, с. 50]:

де d - внутрішній діаметр патрубка, м

w - швидкість рідини у патрубку, м/с.

Приймаємо швидкість сусла та води у патрубках рівними w = 2 м/с.

Діаметр патрубків для сусла.

Діаметр патрубків для води.

Приймаємо для сусла та води патрубки з труби Æ 108×8 мм.

2.5 Гідравлічний розрахунок

Потужність, яка необхідна для переміщення теплоносія через апарат, визначаємо за формулою [4, с. 50]:

де N - потужність, Вт;- об’ємна витрата рідини, м3/с;

Dp - перепад тиску в апараті, Па;- К.К.Д. насосу, од.

Гідравлічний опір апарату складається з втрат тиску на подолання опору тертя Dртер та на подолання місцевих опорів Dрм.о. [4, с. 51]:

де λ - коефіцієнт опору тертя, од;коефіцієнт місцевого опору, од.

.5.1 Гідравлічний розрахунок для сусла

Шорсткість трубок з мельхіору приймаємо рівною D=0,005 мм.

Перевіряємо умову вибору рівняння для розрахунку коефіцієнту тертя води по стінках трубок [4, с. 51]:

> 500×0,014/D = 1400.

Умова виконується, тобто течія відбувається у режимі квадратичного опору. Тому коефіцієнт опору тертя розраховуємо за формулою [4, с. 51]:

Обчислюємо суму коефіцієнтів місцевого опору приблизно):

Обчислюємо гідравлічний опір руху сусла в теплообміннику:

Обчислюємо потужність, яку споживає електронасосний агрегат, що перекачує сусло:

2.5.2 Гідравлічний розрахунок для води.

Коефіцієнт місцевого опору для гладкотрубчатих коридорних пакетів труб розраховуємо за формулою [9, с. 576]:

де z - кількість рядів трубок, од.

Обчислюємо суму коефіцієнт місцевого опору приблизно):

Обчислюємо гідравлічний опір руху води в теплообміннику:

Обчислюємо потужність, яку має споживати електронасосний агрегат, що перекачує воду:

При таких малих значеннях гідравлічного опору та потужності доцільно використовувати тиск, який є в існуючому заводському трубопроводі артезіанської води, або зробити напірний збірник води.

2.6 Розрахунок теплової ізоляції

Тепловиділяючі поверхні обладнання повинні бути ізольовано із розрахунку, щоб температура зовнішньої поверхні не перевищувала 35 °C. Ізоляція повинна бути рівною, стійкою до вологи, механічних пошкоджень та незаймистою.

Товщину теплоізоляційного слою циліндричного корпусу по заданій температурі визначаємо як для маловигнутої поверхні за формулою [4, с. 53]:

де δ - товщина шару теплоізоляції, м;

αпов - коефіцієнт тепловіддачі від поверхні апарату, Вт/ м2×К);

λ - коефіцієнт теплопровідності матеріалу ізоляції, Вт/ м×К);- температура під ізоляцією, ° С;- температура на поверхні ізоляції, ° С;- температура оточуючого повітря, ° С.

Коефіцієнт тепловіддачі від поверхні апарату до оточуючого повітря у закритому приміщенні визначаємо за формулою [4, с. 47]:

αпов = 9,76 + 0,07 t - t2)

Приймаємо: t2 = 10° С, розраховуємо αпов:

αпов = 9,76 + 0,07× 35 - 10) = 11,51 Вт/ м2×К).

У якості теплоізоляційного матеріалу приймаємо пінопласт, λ=0,047 Вт/ м×К), [4, с. 194]. Розраховуємо товщину теплоізоляції:

Теплообмінник потребує теплоізоляції лише одного сектора, де температура води зростає вище за 35 °C.

Температура деяких секторів кришки може бути більше 35 °C, але кришки теплообмінників зазвичай не ізолюються.

3. Техніко-економічні показники

Визначаємо оптимальну шляхом аналізу на мінімум функції залежності сумарних грошових витрат на здійснення процесу від швидкості руху сусла )

К ω)= К ω)о+ К ω)е

де К ω) - сумарні витрати, як функція швидкості руху сусла, грн.;

К ω)о - витрати на обладнання, як функція швидкості руху сусла, грн.;

К ω)е - витрати на електроенергію, як функція швидкості руху сусла, грн.

Як базові приймаємо параметри теплообмінника, які було розраховано у розділі 2. Проводимо з застосуванням програми "Exel" табл.2, рис.4) аналіз роботи теплообмінника для ряду швидкостей руху сусла від 1,0 м/с до 6,0 м/с з кроком 0,1 м/с. Оскільки діючі в Україні стандарти бухгалтерського обліку передбачають декілька варіантів нарахування амортизаційних витрат, то розрахунок проводимо на повний строк служби теплообмінника - 5 років.

Зі збільшенням швидкості руху сусла коефіцієнт теплопередачі збільшується пропорційно ω0,6. Відповідно зменшується поверхня теплообміну і витрати на виготовлення та монтаж теплообмінника. За даними українських підприємств, які виготовляють теплообмінне обладнання, усереднені витрати для апаратів з мельхіоровими трубками становлять 3230 грн/м2.

Таблиця 2. Техніко-економічні параметри роботи теплообмінника

Рис.4. Залежність витрат на здійснення процесу теплообміну від швидкості руху сусла

Збільшення швидкості руху сусла веде до збільшення гідравлічного опору пропорційно ω2.. Відповідно збільшується вартість електроенергії на здійснення процесу протягом строку служби теплообмінника. Внаслідок періодичності процесів приготування охміленого сусла і його охолодження теплообмінник працює не безперервно, а протягом 35 % загального часу в середньому). Вартість 1 кВт×ч електроенергії для пивзаводу споживач 1-го класу) в Україні становить 0,671 грн.

Як бачимо з графіку рис. 4) функція сумарних грошових витрат чітко виявляє мінімум при ω » 2,0…2,3 м/с. Для теплообмінника, який було спроектовано, номінальна швидкість руху сусла становить 2,15 м/с, тобто його конструкція є оптимальною.

Слід зазначити, що швидкості більше ніж 2,8 м/с призводять до надмірного зростання тиску, що потребує застосування товстостінних корпусу та кришок апарата та багатоступеневих відцентрових насосів, що є недоцільним для пивних заводів.

Також не слід застосовувати швидкості нижче за 1,5 м/с, при яких відбувається інтенсивне відкладання білків на внутрішніх стінках трубок.

4. Умови безпечної експлуатації теплообмінника та питання екології

Безпека обладнання закладається на етапах проектування та виготовлення обладнання, контролюється та підтримується на етапах експлуатації, ремонту та технічного обслуговування [10].

Розташування обладнання повинно забезпечувати безпеку та зручність його експлуатації, обслуговування та ремонту.

Розташування та спосіб прокладання трубопроводів повинні забезпечувати безпеку експлуатації, можливість безпосереднього нагляду за їх технічним станом. Трубопроводи не повинні пересікати віконні прорізи та площадки сходів. Трубопроводи, які прокладаються у підлозі, проїздах та проходах, не повинні виступати над поверхнею підлоги.

Усю запірну та регулюючу арматуру повинно бути пронумеровано. Нумерація повинна наноситися на спеціальні бирки жетони), які повинні бути надійно закріплено на арматурі або поруч з нею на трубопроводі. Номера запірної арматури повинні відповідати номерам, що вказані в технологічних інструкціях, та на схемі.

З метою відведення повітря у верхніх точках трубопроводів повинні бути улаштовані повітряні крани. Продуктопроводи повинно бути оснащено запірним обладнанням, а також дренувальними пристроями для їх мийки із стоком води у каналізаційну мережу. Дренувальні пристрої улаштовуються у нижчих точках кожної ділянки продуктопроводу.

Теплообмінник повинно бути оснащено переносними лійками, через які є можливість спустити сусло з теплообмінника перед його очисткою.

Для чищення трубок теплообмінника повинні бути обладнані стаціонарні або пересувні площадки з драбиною.

Поверхні обладнання, які виділяють тепло, повинні бути ізольовані із таким розрахунком, щоб температура зовнішньої поверхні не перевищувала 35 ° С.

Обслуговування теплообмінника може бути доручено особам, які досягли 18-річного віку, пройшли виробниче навчання, атестацію у кваліфікаційній комісії та інструктаж щодо безпечного обслуговування теплообмінника.

З метою уникнення нещасних випадків під час роботи теплообмінника забороняється:

·  відкривати кришки;

·        проводити ремонт;

·        відключати прибори автоматичного регулювання температури нагріву.

Перед зупинкою теплообмінника необхідно:

·  закрити вентилі сусла та води;

·        систему автоматичного регулювання перевести у ручний режим;

·        відкрити крани у нижній кришці для стікання сусла;

·        відкрити повітряний кран на верхній кришці.

Забороняється переносити сусло вручну відрами.

При проведенні ремонту теплообмінника в період виробництва, крім перекриття вентилів сусла та води, необхідно встановити додаткові заглушки по фланцях вентилів.

Впливи на навколишнє середовище, які пов’язані з впровадженням теплообмінника, оцінюються наперед та зводяться до мінімуму. Екологічна безпека забезпечується системою умов та заборон, які направлено на охорону оточуючого середовища. Для теплообмінника, що проектується - це мінімізація кількості сусла, яке зливається з апарату до каналізаційної мережі під час регламентних робіт з очистки та техогляду.

Висновок

Проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника для охолодження продукту виконано на основі системного аналізу вимог до апаратів такого типу. Деякі технічні рішення приймались як компроміс між взаємно суперечливими критеріями.

На базі аналізу технологічної схеми виробництва пива та місця апарату у технологічній схемі було визначено специфічні вимоги: склад та фізико-хімічні властивості охмеленого сусла, режим роботи теплообмінника, оснащення апарату, тощо.

Розрахунок параметрів процесу теплообміну виконано із застосуванням емпіричних критеріальних рівнянь, запропонованих вітчизняними дослідниками. Необхідну точність розрахунків досягнуто шляхом ітераційних розрахунків.

Гідравлічні розрахунки для сусла та води виконано з застосуванням методики, розробленої в НУХТ для проектування процесів та апаратів харчових виробництв. Визначено вимоги для насосів сусла та води.

Конструкцію основних вузлів теплообмінника було визначено на базі критичного аналізу вітчизняних та зарубіжних аналогів. Конструкцію корпусу та внутрішніх переділів, розташування трубок було розроблено згідно вимог машинобудування - забезпечення можливості безперешкодного виготовлення та збирання конструкції.

Розраховано необхідні параметри теплоізоляції.

Проведено техніко-економічний аналіз з метою визначення оптимальних параметрів конструкції теплообмінника. Як визначальній параметр було прийнято швидкість руху сусла у трубках. Застосовано модель, що враховує дві основні складові - витрати на виготовлення та монтаж обладнання та витрати на електроенергію.

Показано, що у теплообміннику, який було спроектовано, швидкість руху сусла є оптимальною.

З урахуванням діючих в Україні норм охорони праці та екології розроблено вимоги щодо безпечної експлуатації теплообмінника.

Результати, які було отримано під час виконання курсового проекту з дисципліни «Процеси і апарати харчових виробництв», буде застосовано при виконанні курсових проектів, дипломного проекту та подальшій інженерній діяльності.

Список використаної літератури

1. Кретов И.Т., Антипов С.Т., Шахов С.В. Инженерные расчеты технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. М.: КолосС, 2004. - 391 с.: ил. ISBN 5-9532-0232-6

. Семилет З.В. Оросительные теплообменники химических производств. М.:- Машгиз а 1961. - 112 с.

. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: Издательство стандартов, 1968. - 408 с.

. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств. Под ред. В.Н. Стабникова. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1982. - 199 с.