Контрольная задача № 3
Расчет пластинчатой охладительно-пастеризационной установки
Задание. Определить температуры молока и рабочих сред на входе и на выходе из секций пластинчатой пастеризационно-охладительной установки; расход горячей воды Gгв, кг/с; расход холодной воды Gв, кг/с; массовое количество пара, расходуемого на нагрев горячей воды D, кг/с; удельный расход пара dп, кг/кг; площадь поверхностей теплопередачи в секциях рекуперации Fр, м2, пастеризации Fп, м2, и водяного охлаждения Fв, м2, установки; число пластин Nп и пакетов Zп в секции пастеризации; длину выдерживателя Lв, м.
Исходные
данные:
объемная производительность установки
Vз,
л/ч; температуры: начальная молока t1,
°С; пастеризации t3,
°С; воды на входе в секцию водяного
охлаждения
,
°С; воды на входе в секцию в охлаждения
ледяной
=
2 оС;
молока на выходе из аппарата
,°С;
коэффициент рекуперации теплоты ;
кратности циркуляции: горячей воды nг=
4,5; ледяной воды nлв
=3;
скорости: молока в канале между пластинами
м,
м/с; горячей воды в канале между пластинами
в,
м/с; продолжительность выдержки при
пастеризации
,
с;абсолютное давление греющего пара Рп
= 0,3 МПа; тип пластин – П2 ленточно-поточного
вида (табл. 4).
Методика расчета
Для расчета составим общую схему пластинчатого аппарата и построим график изменения температур молока и рабочих сред по секциям (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема и температурный график комбинированного аппарата
пластинчатого типа:
1 – секция рекуперации; 2 – секция пастеризации; 3 – секция водяного охлаждения; 4 – секция охлаждения хладоносителем
1. Объемная
производительность установки
,
м3/с,
где Vз – объемная производительность по заданию, л/ч.
2. Массовая
производительность установки
,
кг/c,
,
где – плотность молока при начальной температуре, кг/м3, [5].
3. Рассчитаем недостающие температуры молока и рабочих сред по секциям аппарата
3.1. Секция рекуперации
Температура
сырого молока
,
°С, после секции рекуперации:
Температура
пастеризованного молока
,
°С, после секции регенерации теплоты
(на входе в секцию водяного охлаждения):
.
Средний температурный
напор
,
°С,
в
секции рекуперации:
.
Симплекс
,
характеризующий условия подобия
температурных режимов в секции
регенерации:
.
3.2. Секция пастеризации
Температура горячей
воды на выходе из секции пастеризации
,
°С, определяется из теплового баланса:
,
где
начальная температура горячей воды,
°С;
– удельная теплоемкость молока при
средней температуре в секции пастеризации,
Дж/(кг·К), [5]; сг
– удельная теплоемкость горячей воды,
Дж/(кг·К [5].
.
Средний
температурный напор
,
°С, в секции пастеризации:
,
где
и
– соответственно большая и меньшая
разности температур между горячей водой
и молоком, °С.
,
.
Симплекс
,
характеризующий условия подобия
температурных режимов в секции
пастеризации:
.
Расход горячей
воды
,
кг/с, с учетом потерь теплоты:
,
где 1,05 – коэффициент потерь теплоты.
3.3. Секция охлаждения водой
Температура молока
,
°С, на выходе из секции водяного
охлаждения:
.
Температура
холодной воды
,
°С, на выходе из секции:
,
где nв = 2 – рекомендуемая кратность циркуляции холодной воды; св – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·К.
Большая
и
меньшая
разница
температур между молоком и охлаждающей
водой, °С.
,
.
Если отношение
/
то
средний
температурный напор
,
°С, в секции водяного охлаждения
определяется как среднеарифметический,
больше двух – среднелогарифмический.
Симплекс
,
характеризующий условия подобия
температурных режимов в секции водяного
охлаждения:
.
Расход холодной
воды
,
кг/с,
.
4. Секция охлаждения
ледяной водой. По вышеприведенной
методике рассчитайте температуру
ледяной воды
,
°С, на выходе из секции; расход ледяной
воды
,
кг/с; средний температурный напор
,
°С; симплекс
в
секции.
5. Количество
теплоты
,
Вт, затрачиваемое на нагрев молока в
секции пастеризации:
.
6. Массовое количество
пара
,
кг/с, расходуемого на нагрев горячей
воды при использовании поверхностных
нагревателей:
,
где
– энтальпия греющего пара, Дж/кг.
Определяется по таблицам [1, 2]состояния
воды и водяного пара исходя из давления
греющего пара Рп,
МПа;
– температура конденсата греющего
пара, °С,
°С,
где
– температура насыщения пара, °С, [5].
7. Удельный расход
пара
,
кг/кг,
.
8. Расчет площади поверхностей теплообмена в секциях
8.1. Секция пастеризации
Сведем в табл. 3 теплофизические характеристики молока и горячей воды при средней температуре жидкостей в секции [5].
Таблица 3
Теплофизические характеристики
Секция |
Поток |
tср, °С |
с, Дж/(кгК) |
, Вт/(мК) |
, Пас |
, кг/м3 |
Рr |
Пастеризации |
Молоко |
|
|
|
|
|
|
Горячая вода |
|
|
|
|
|
|
Рассчитаем значения критерия Рейнольдса Re для потока молока между пластинами [5, 6]:
,
и для потока горячей воды между пластинами:
,
где dэкв – эквивалентный диаметр канала, м2.
Коэффициент
теплоотдачи
,
Вт/(м2·К),
от молока к пластине [6]:
,
от воды к пластине
,
Вт/(м2·К),
.
Коэффициент
теплопередачи
,
Вт/(м2·К),
,
где – толщина пластины, м, = 0,0012 м; – коэффициент теплопроводности нержавеющей стали, Вт/(м·К), = 15 Вт/(м·К).
Площадь поверхности
теплопередачи пластин
,
м2,
в секции пастеризации:
.
Количество пластин
в
секции пастеризации:
,
где fп – площадь поверхности теплопередачи пластины, м2.
Число каналов в пакете пластин секции пастеризации:
,
где
– площадь поверхности канала между
пластинами, м2.
Число пакетов в секции определяется по формуле:
,
и округляется до ближайшего целого числа.
8.2. Секция рекуперации и водяного охлаждения
Принимаем коэффициентов теплопередачи К, Вт/(м2·К)[6]:
в секции рекуперации Крек = 2840 Вт/(м2·К);
в секции водяного охлаждения Кв = 2520 Вт/(м2·К).
в секции охлаждения ледяной водой Клв = 2100 Вт/(м2·К).
Площади поверхностей теплопередач в секциях рекуперации Fрек, м2 , водяного охлаждения Fв, м2, и охлаждения ледяной водой Fлв, м2, рассчитаются исходя из соотношения:
.
8. Расчет параметров выдерживателя
Принимаем внутренний диаметр выдерживателя d = 0,075 м.
Длина выдерживателя
,
м,
,
где = 0,85 – КПД, учитывающий неравномерность скорости течения продукта по сечению трубы.
Таблица 4
Характеристика пластин типа П-2
Показатели |
Значения |
Площадь рабочей поверхности fП, м2 |
0,2 |
Рабочая ширина b, м2 |
0,270 |
Приведенная высота Lп, м2 |
0,8 |
Площадь поперечного сечения одного канала fк, м2 |
0,0008 |
Эквивалентный диаметр канала dэкв, м |
0,0059 |
Толщина пластины δ, м |
0,0012 |
Теплопроводность материала пластины λ, Вт/(м·К) |
16 |
Контрольные вопросы к задаче
1. Основные требования, которым должны соответствовать современные теплообменные аппараты.
2. Устройство и принцип действия пастеризационно-охладительной установки. Ее достоинства и недостатки.
3. В чем заключается сущность теплового расчета пастеризационно-охладительных установок.
4. Что такое рекуперация теплоты и каким образом она оценивается?
5. Какие факторы влияют на интенсивность процесса теплообмена в пастеризационно-охладительных установках?
6. Какие типы пластин применяются в установках?
Таблица 5
Варианты индивидуальных заданий
Обозначение величины и ед. измерения |
Последняя цифра номера зачетной книжки |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
Vз, л/ч |
5000 |
7500 |
10000 |
5000 |
7500 |
10000 |
5000 |
7000 |
10000 |
5000 |
t1, °С |
8 |
8,5 |
7 |
7,5 |
8 |
8 |
6,5 |
7 |
8,5 |
8 |
t3, °C |
72 |
73 |
74 |
75 |
72 |
73 |
74 |
75 |
72 |
73 |
|
20 |
18 |
16 |
15 |
19 |
18 |
17 |
16 |
20 |
18 |
ε |
0,8 |
0,81 |
0,82 |
0,83 |
0,84 |
0,85 |
0,86 |
0,87 |
0,88 |
0,89 |
ωм, м/с |
0,31 |
0,32 |
0,33 |
0,34 |
0,35 |
0,36 |
0,37 |
0,38 |
0,39 |
0,40 |
ωв, м/с |
0,38 |
0,39 |
0,40 |
0,41 |
0,42 |
0,43 |
0,44 |
0,45 |
0,46 |
0,47 |
|
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
|
13 |
14 |
15 |
12 |
16 |
13 |
14 |
15 |
14 |
15 |
t6, °С |
6 |
5 |
4 |
3 |
6 |
5 |
4 |
6 |
5 |
4 |
,
с
,
°С