Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі

Теплообмінник типу «труба в трубі» використовується в процесі згущення продуктів, що є підготовчим етапом перед висушуванням бульйону.

Процес згущення протікає наступним чином:

Бульйон всмоктується у вирівнюючий бак 1 і з нього насосом 2 подається через фільтри 3 в теплообмінник типу «труба в трубі» 4.

Із теплообмінника нагрітий бульйон подається в паровідділювач 5 циклонного типу. Звільнений від вторинної пари бульйон стікає по скляному трубопроводі до насосу 7. Визначений рівень рідини в паровідділювачі автоматично піддержується регулятором 6.

Шляхом регулювання кількості напрямленого на рециркуляцію згущуваного продукту за допомогою клапана, а також подачі сировини встановлюється режим випарювання. Після цього згущений бульйон починають відкачувати із апарата продуктовим насосом 7.

Існує прилад для приготування гарячої води, яка використовується для нагрівання бульйону в теплообміннику. Холодна вода потрапляє до вирівнюючого баку 9, звідки вона відкачується насосом 10 до спеціально підігрівача води 11.

Речовини які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим теплоносієм, речовину з нижчою температурою холодним.

Як гарячі теплоносії в харчовій промисловості використовуються водяна пара, гаряча вода, нагріте повітря, димові гази і гарячі мінеральні масла, а як холодні – воду, повітря, ропу(розсіл), аміак і фенол.

Тепловий розрахунок

Визначення температурних умов нагріву

Визначення середньої різниці температур між водою і бульйоном:

Δt_м = t_2к - t_1п

Δt_м = 16 – 11 = 5ºС

Δt_б = t_2п - t_1к

Δt_б = 78 – 45 = 33ºС

Δt_б / Δt_м = 33 / 5 = 6,6 , оскільки 6,6 > 2, то

Δt_ср = (Δt_б - Δt_м) / ln (Δt_б / Δt_м )

Δt_ср = 28 / ln 6,6 = 28 / 1,887 = 14,8ºС

Визначення середньої температури води:

t_1ср = (t_1п + t_1к)/2

t_1ср =(11+45)/2 = 28ºС

Визначення середньої температури бульйону:

t_2ср = (t_2п + t_2к)/2

t_2ср =(78+16)/2 = 47ºС

Визначення теплового навантаження апарата

Q = Q₁ = х Q₂ ,

де х = 1,02…1,05 – коефіцієнт, що враховує теплові втрати.

Q₂ = х G₂ с₂(t_2к - t_2п) ,

де с₂ – теплоємність бульйону при температурі 47ºС, с₂ = 4,174 кДж/(кг· К)

Q₂ = 1,03 · 2 · 4,174 · (16 – 78) = 533,10 кВт

Рівняння теплового балансу має вигляд:

G₁ с₁(t_1п - t_1к) = х G₂ с₂(t_2к - t_2п)

Визначаємо витрати води на підігрів бульйону:

G₁ = (х G₂ с₂(t_2к - t_2п)) / с₁(t_1п - t_1к),

де с₁ – теплоємність води при температурі 28ºС,с₁ = 4,182 кДж/(кг· К)

G₁ = (1,03· 2 · 4,174 · (16 – 78)) / (4,182 ·(11 – 45)) = −275,15 / −142,19= 1,93 кг/с

Визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до бульйону α₂. Для цього знаходимо критерій Re₂.

Re₂ = (w₂ · d_в · ρ₂) / μ₂,

де μ₂ – коефіцієнт динамічної в`язкості, який становить 0,92·10^-3 Па·с;

ρ₂ - густина кісткового бульйону при температурі 47ºС і вмісті сухих речовин n = 1,77 % становить 986,4 кг / м³.

d_в – діаметр внутрішньої труби, який визначається за формулою

d_в = √(4· G₂ ) / (π · ρ₂ ·w₂) ;

Обчислюємо діаметр внутрішньої труби

d_в = √(4· 2) / (3,14 · 986,4 · 1,1) = √ 8 / 3407 = 0,048 м

Re₂ = (1,1 · 0,048 · 986,4) / 0,92 · 10^-3 = 56610

Критеріальне рівняння для визначення критерію Нусельта має вигляд: Nu₂ = 0,023 · Re₂^0,8 · Pr₂^0,4 · ( D_в / d_з )^0,45,

де Pr₂ – критерій Прандтля для бульйону, який визначається за формулою

Pr₂ = ( с₂ · μ₂) / λ₂,

λ₂ – коефіцієнт теплопровідності бульйону, λ₂ = 607·10^-3 Вт / (м·К);

D_в – внутрішній діаметр зовнішньої труби, який визначається за формулою:

D_в = √(4 · υ) / (π · w₁) + d_з,

υ – об`ємні витрати рідини, які визначаються за формулою

υ = G₁ / ρ₁

υ = 1,93 / 996,4 = 0,0019 м³/с

ρ₁ – густина води при температурі 28ºС , ρ₁ =996,4 кг / м³

d_з – зовнішній діаметр внутрішньої труби.

Оскільки товщина стінки складає 0,002 м, то d_з = d_в + δ

d_з = 0,048 + 2·0,002 = 0,052 м.

Pr₂ = (4174 · 0,92·10^-3) / 607·10^-3 = 6,3

D_в = √(4 · 0,0019) / (3,14 · 1,2) + 0,052 = 0,075 м

(D_в / d_з)^0,45 = (0,075 / 0,052)^0,45 = 1,18

Nu₂ = 0,023 · 56610^0,8 · 6,3^0,4 ·1,18 = 0,023 · 6343 · 2,09 · 1,18 = 359,79

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від стінки до бульйону

α₂ = ( Nu₂ · λ₂ ) / d_в

α₂= (359,79 · 607·10^-3) / 0,048 = 4549 Вт/(м² · К)

Визначення коефіцієнта тепловіддачі від конденсату до стінки α₁. Для цього знаходимо критерій Re₁.

Re₁ = (w₁ · d_е · ρ₁) / μ₁,

де μ₁ – коефіцієнт динамічної в`язкості, який становить 0,843·10^-3 Па·с;

ρ₁ - густина води при температурі 28ºС, становить 996,4 кг / м³.

d_е – еквівалентний діаметр, який визначається за формулою

d_е = D_в – d_з

d_е = 0,075 – 0,052 = 0,023

Re₁ = (1,2 · 0,023 · 996,4) / 0,843 · 10^-3 = 27,5 / 0,843 · 10^-3 =32621

Критеріальне рівняння для визначення критерію Нусельта має вигляд:

Nu₁ = 0,023 · Re₁^0,8 · Pr₁^0,4 · ( D_в / d_з )^0,45,

де Pr₁ – критерій Прандтля для води, який визначається за формулою

Pr₁ = ( с₁ · μ₁) / λ₁,

λ₁ – коефіцієнт теплопровідності води, λ₁ = 614·10^-3 Вт / (м·К);

Pr₁ = ( 4182 · 0,843·10^-3 ) / 614·10^-3 = 5,74

(D_в / d_з)^0,45 = (0,075 / 0,052)^0,45 = 1,18

Nu₁ = 0,023 · 32621^0,8 · 5,74^0,4 ·1,18 = 0,023 · 4081 · 2,01 · 1,18 = 222

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від конденсату до стінки

α₁ = ( Nu₁ · λ₁ ) / d_е

α₁ = (222 · 614·10^-3) / 0,023 = 5926 Вт/(м² · К)