3.4 Конструктивный расчет

Цель расчета – определение точного общего числа нагревательных трубок, диаметра теплообменника, диаметров патрубков, длины аппарата.

3.4.1. Нагревательные трубки в аппарате располагают по сторонам правильных вписанных шестиугольников. Число данных шестиугольников (а) определяем решением квадратного уравнения вида:

n₀ = 3a² + 3a + 1 3a² + 3a + (1 – n₀) = 0; (13)

а_1,2 = = ,

а = 1,6 2

3.4.2. Находим ближайшее стандартное (n_oc) общее число трубок при а = 2 n_oc = 19

3.4.3. Количество трубок, попавших под перегородки при диагональном размещении последних n_пер = а = 2.

3.4.4. Фактическое общее количество трубок (n_оф):

n_оф = n_ос – n_о = 19 – 2 = 17

Из конструктивных соображений принимаем n_оф = 16.

3.4.5. Рассчитываем внутренний диаметр корпуса теплообменника (каждого барабана пастеризатора)

D = 1,15 · ₁ · d_н · n₀^0,5, (14)

где ₁ = 1,40 – 1,65 – коэффициент, учитывающий шаг размещения трубок. Принимаем ₁ = 1,5.

D = 1,15 · 1,5 · 0,03 · 16^0,5 = 0,207 м

Принимаем D = 210 мм.

3.4.6. Определяем толщину стенки корпуса δ_к

δ_к = (15)

где ρ_max = 3 · ρ_п = 3 · 1,2 = 4,2 атм = 0,42 МПа – максимальное критическое давление в аппарате;

= 80 МПа – среднее допустимое натяжение при деформации растяжения стенок корпуса;

= 0,75 – коэффициент ослабления корпуса за счет сварного шва.

δ_к = = 0,00073м = 0,7 мм

Из конструктивных соображений принимаем толщину стенки δ_к = 2,0 мм.

3.4.7. Наружный диаметр корпуса аппарата D_н

D_н = D + 2δ_к = 210 + 4 = 214 мм

3.4.8. Общая длина каждого барабана пастеризатора с учетом длин торцовых крышек (L)

L = l + 2 · 0,15 · l = 2 + 2 + 0,15 · 2 = 4,3 м

3.4.9. Проверяем конструктивное соотношение для корпуса (барабана).

L / 2D_н 10, (16)

4,3 / 2 · 0,214 = 10 10

Условие устойчивости выполняется.

3.4.10. Рассчитываем диаметры патрубков в теплообменнике:

- для подачи и отвода молока

d_м1 = d_м2 = = = 0,059м = 59 мм

Принимаем d_м1 = d_м2 = 60 мм

- для подачи греющего пара

d_n = = = 0,137м = 137 мм

Принимаем d_n = 140 мм

- для отвода конденсата

d_k = = = 0,022м = 22 мм

3.5 Изоляционный расчет

3.5.1. По правилам противопожарной безопасности температура наружной поверхности корпуса не должна превышать t₂ = 40 ⁰C. По нормам БЖД температура воздуха в цехе в среднем должна составлять t_в = 22 ⁰C.

Толщина слоя тепловой изоляции должна быть такой, чтобы потери тепла, происходящие в результате конвекции и лучеиспускания, были минимальными и не превышали 5 % от тепла, поступающего с греющим паром, что соответствует технико-экономическим требованиям, предъявляемым к тепловому оборудованию.

В качестве изоляционного материала выбираем совелит, имеющий коэффициент теплопроводности 𝜆₂ = 0,098 Вт/м·град. Наружная поверхность изоляции будет покрашена масляной краской светлых тонов толщиной δ₂ = 1мм с 𝜆₃ = 0,233 Вт/м·град.

3.5.2. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи (α_k) конвекцией при свободном движении газов (воздуха) от наружной поверхности изоляции к воздуху в цехе. С этой целью решаем критериальное уравнение Нуссельта, предварительно принимая турбулентный режим движения воздуха.

Nu = 0,15 · (Gr · Pr)^0,333, (17)

где Nu – критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи конвекцией.

Gr – критерий Грасгофа, характеризующий подъемную силу при конвекции воздушных потоков.

Pr – критерий Прандтля, характеризующий физические свойства воздуха.

Gr = (18)

где l – определяющий линейный размер для потока воздуха. Для горизонтального двухбарабанного пастеризатора (теплообменника)

l = 2 · D_н = 2 · 0,214 = 0,428 м;

β – коэффициент температурного расширения воздуха

β = = = 0,0034 1 / ⁰C;

∆t – средний температурный напор между поверхностью и воздухом

∆t = t₂ – t_в = 40 – 22 = 18 ⁰С;

ѵ = 15,1·10^-6 м²/с – кинематический коэффициент вязкости воздуха при t_в = 22 ⁰С

Gr = = 20,63 10⁷

По таблице физических свойств воздуха при t_в = 22 ⁰С находим Pr = 0,722.

Произведение (Gr · Pr) = (20,63·10⁷ · 0,722) = 1,49·10⁸ 1·10⁹. Следовательно, имеет место ламинарный режим движения воздуха. Поэтому используем критериальное уравнение Нуссельта вида

Nu = 0,54 · (Gr · Pr)^0,25 = 0,54 · (1,49·10⁸)^0,25 = 59,7

При этом

Nu = = (19)

откуда коэффициент теплоотдачи конвекцией:

α_k = = = 3,63 Вт/м²·град

3.5.3. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи лучеиспускания (α_л) от наружной поверхности пастеризатора.

Действительная константа лучеиспускания (с):

с = 4,96 · ε = 4,96 · 0,86 = 4,27

Температурный коэффициент (β):

β = = = = 1,128

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием:

α_л = с · β = 4,27 · 1,128 = 4,82 Вт/м²·град

3.5.4. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи (α)

α = α_к + α_л = 3,63 + 4,82 = 8,45 Вт/м²·град

3.5.5. Средняя разность температур греющего пара и воздуха в цехе

t_ср = t_п – t_в = 108,7 – 22 = 86,7 ⁰С

3.5.6. Удельные потери теплоты в окружающую среду (q)

q = α₂ · (t₂ – t_в) = 8,45 · 18 = 152,1 Вт/м²

3.5.7. Коэффициент теплоотдачи от пара к воздуху (К)

К = = = 1,754 Вт/м²·град

3.5.8. Рассчитываем толщину слоя изоляции (δ₂)

δ₂ = 𝜆₂ · = 0,098 · = 0,045 м = 45 мм

Принимаем δ₂ = 45 мм.