Расчет охладителя жира пластинчатого типа
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
- Назначение, устройство и принцип действия охладителя жира
1.1 Основные требования к жиру и назначение
охладителя ……………………………………………………………7
1.2 Устройство охладителя жира …………………………………..12
1.3 Порядок работы охладителя жира ….…………………………13
2. Механизм действия процесса охлаждения ………………….……...14
3. Расчет и проектирование
3.1
Конструктивное решение
3.2
Анализ факторов, принятые допущения……….………………..
3.3 Разработка математической модели процесса
охлаждения жира ……………………………………….…………………..18
3.4 Исследование целевой функции и выбор
оптимального варианта ……………………………………………………25
ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Таблица конструктивного расчета пластинчатого охладителя жира
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты расчетов удельных приведенных затрат от суммарной ширины пластин.
ПРПРИЛОЖЕНИЕй конденса
тВВЕДЕНИЕ
Для расчета и подбора нормализированного теплообменного аппарата составим и рассчитаем тепловой баланс из которого определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход теплоносителя. Рассчитаем среднюю разность температур, выберем по опытным данным ориентировочный коэффициент теплопередачи. Рассчитаем ориентировочное значение поверхности теплообмена и по нему выберем стандартный теплообменник. Произведем уточненный расчет стандартного теплообменника: уточним коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителя и уточненный расчет коэффициента теплопередачи. Сопоставим поверхности теплообмена расчетной и нормированной. Произведем гидравлический расчет.
Теплообменные аппараты применяются для проведения теплообменных процессов (нагревание или охлаждение). В данном курсовом проекте мы рассчитываем рекуперативный теплообменник, в котором теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.
Предложено на расчет пластинчатый теплообменный аппарат. Поверхность теплообмена в таком аппарате образована набором штампованных гофрированных пластин. Сами аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными).
Разборные теплообменники могут работать при давлении 0,002 – 1,0 МПа и температуре рабочих сред от -20 до +180ºС, полуразборные – при давлении 0,002 – 2,5 МПа и той же температуре; неразборные (сварные) аппараты могут работать при давлении 0,0002 – 4,0 МПа и температуре от – 100 до +300 ºС.
Пластинчатые теплообменники широко используются в пищевой промышленности в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации и стерилизации.
Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплоотдачи, достигающихся гофрированием пластин.
Эффективность обусловлена большой величиной отношения площади теплопередачи к объему теплообменника. Это достигается высокими скоростями теплоносителей, а также турбулизацией потоков гофрированными поверхностями пластин и низкому термическому сопротивлению стенок пластин.
Эти теплообменники изготовляют в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.
1.Назначение, устройство и принцип действия охладителя жира
1.1 Основные требования к жиру и назначение охладителя
Морфология и химия жирового сырья.
Сырьем для производства животных топленых пищевых жиров является жировая ткань убойных животных, называемая жиром-сырцом, который в зависимости от вида скота подразделяют на говяжий, бараний, свиной, а каждый вид с учетом особенностей подготовки к переработке — на две группы: первую и вторую. Жир-сырец первой группы включает сальник, околопочечный, брыжеечный, щуповой, подкожный жир, получаемый при зачистке туш; с ливера, хвоста, вымени, головы (с заушных и височных впадин); жирное вымя молодняка; жировую обрезь из колбасного и консервного цехов; второй группы — с желудка (рубца, книжки, сычуга); жировую обрезь, получаемую при ручной обработке шкур, кишечный жир от обезжиривания кишок вручную. Жир-сырец состоит из чистого жира, воды и стромы. Состав жира-сырца крупного рогатого скота средней упитанности: чистого жира — 88%, воды — 9,5%, стромы — 2,5%. Химический состав жира зависит не только от упитанности животных, но и от места отложения его в организме. Так, у крупного рогатого скота средней упитанности кишечный жир содержит 65% чистого жира, а жир сальника и почечный — 94%. Жир-сырец — продукт нестойкий, сразу после сбора его перерабатывают на топленый жир или консервируют (замораживанием или сухим посолом). Цель перетопки жира-сырца заключается в отделении от него соединительной ткани и воды. В топленом жире содержится чистого жира 99,7-99,8%; воды и остатков белков 0,3-0,2%. Жиры представляют собой триглицериды жирных кислот. В животных жирах наиболее часто содержится три кислоты: стеариновая, пальмитиновая и олеиновая. Содержание других жирных кислот — миристиновой, линолевой и линоленовой — в животных жирах незначительное. В жирах наземных животных преобладают насыщенные кислоты, в жирах водных животных — ненасыщенные. Чем ниже температура плавления жиров, тем легче они усваиваются организмом. Особенно высокую усвояемость имеют жиры, температура плавления которых ниже 37°С (молочный, рыбий, птичий). Несколько хуже усваивается свиной жир и еще в меньшей степени говяжий, козий, бараний и олений. Плотность жира зависит от его химического состава: чем больше содержится в жире стеаринов, пальмитинов и других предельных глицеридов, тем жир тверже, чем больше олеина и прочих глицеридов, содержащих непредельные кислоты, тем плотность жира меньше. Более плотный жир внутренний, старых животных, самцов, животных плохо упитанных, обитающих в теплых зонах; более мягкий жир подкожный, молодых животных, самок, животных хорошо упитанных, обитающих в холодных зонах. Существенное влияние на состав жира и его плотность оказывает состав кормов. Жиры имеют две термические точки: температуру плавления — наименьшую температуру, при которой все триглицериды переходят в жидкое состояние, и температуру застывания — наивысшую температуру, при которой все триглицериды кристаллизуются. Температура застывания жира на 10-15°С ниже температуры плавления. Цвет жира у различных видов животных имеет оттенки от чисто белого до желтого. У коз жир интенсивно-белого цвета, у свиней — белого, у овец — слегка желтоватого, у крупного рогатого скота — светло-желтого, у лошадей — желтого. У молодых животных цвет жира белее, у старых желтее. Цвет жира зависит, кроме того, от отложения в нем пигментов красящих веществ, содержащихся в кормах. Интенсивно-желтая окраска жира, как и других тканей, наблюдается при некоторых болезнях.
Технология и гигиена вытопки животных жиров.
Перетопку жира-сырца
начинают не позднее чем через 2 часа после
его поступления в жировой цех, а в случае
охлаждения водой (при вытопке в открытых
котлах) — не позднее 6 часов. В жировом
цехе сырье при необходимости подвергают
дополнительной обработке от нежирных
прирезей. Загрязненный жир-сырец, а также
жир-сырец второй группы промывают в проточной
водопроводной воде (10-15°С). Кишечный жир-сырец
промывают отдельно от остального сырья,
соленый тщательно отмывают от соли, мороженый
перед вытопкой размораживают в холодной
воде. Для охлаждения и хранения жира-сырца
используют питьевую воду. Не допускается
переработка свежего жира-сырца вместе
с соленым, мороженым и со шпиком или курдюком
после длительного хранения; мороженого
жира-сырца с соленым; жира-сырца первой
группы с кишечным. Вытопку жиров производят
мокрым и сухим способами. Мокрый способ
заключается в том, что в процессе вытопки
жир-сырец находится в непосредственном
соприкосновении с водой или острым паром
в автоклавах и котлах с огневым обогревом.
Температура в процессе вытопки поддерживается
на уровне 70-90°С, давление пара — 0,15-0,3
МПа. Сухой способ характеризуется тем,
что жир-сырец нагревается через греющую
поверхность. Вода, содержащаяся в сырье,
во время вытопки испаряется в атмосферу
или удаляется под вакуумом. Сухим способом
вытапливают жир на установке «Шарплес»,
в открытых двустенных котлах с мешалкой,
в горизонтальных вакуумных котлах. Процесс
вытопки производится при 42-120°С и давлении
пара 0,05-0,4 МПа. Жир отстаивают при 60-65°С
в течение 5-6 часов. Для ускорения осаждения
взвешенных белковых частиц и разрушения
эмульсии в процессе отстаивания жир отсаливают
сухой пищевой поваренной солью помолов
№ 1 и 2 в количестве 1-2% к массе жира. Для
получения однородной структуры и торможения
окислительных процессов жиры охлаждают
до 18-40°С.
Производство пищевых жиров из кости.
Для выработки пищевых костных жиров используют
кость всех видов убойных животных, допущенную
на эти цели ветеринарным надзором. Костный
жир получают двумя способами; тепловым
и холодным. Получение жира из костей тепловым
методом осуществляют в открытых котлах
или автоклавах при температуре 90-95°С
в течение 6 часов. Кроме жира при тепловой
обработке костей получают бульон, который
упаривают и используют для пищевых целей. Холодный метод
извлечения жира осуществляется на молотковых
гидродинамических установках. Весь процесс
продолжается 8 минут, жир получается высокого
качества. Выход костного жира составляет
10-12%.
Назначение теплообменников пластинчатого типа.
Теплообменные аппараты применяются для проведения теплообменных процессов (нагревание или охлаждение). В данном курсовом проекте мы рассчитываем рекуперативный теплообменник, в котором теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Поверхность теплообмена в таком аппарате образована набором штампованных гофрированных пластин. Сами аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными).
Разборные теплообменники могут работать при давлении 0,002 – 1,0 МПа и температуре рабочих сред от -20 до +180 ºС, полуразборные – при давлении 0,002 – 2,5 МПа и той же температуре; неразборные (сварные) аппараты могут работать при давлении 0,0002 – 4,0 МПа и температуре от – 100 до +300 ºС.
Процесс охлаждения жира преследует две цели: предотвращение развития окислительных процессов и формирование необходимых структурных и пластических свойств. Для охлаждения жиров применяют охладители непрерывного действия, в которых жир не имеет контакта с воздухом и охлаждается в среднем до 38°С. Пластинчатые теплообменные аппараты (рекуператоры) используются с целью передачи тепла к холодной среде от горячей через теплопередающую поверхность, имеющую сложную форму, за счет которой поток рабочей среды подвергается искусственной турбулизации, при сравнительно малых затратах энергии поверхность теплообмена образована из набора тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью, для изготовления которых применяют коррозийно-стойкие материалы (титан, хромоникелевые стали и сплавы). Каждая пластина в работающем аппарате омывается двумя рабочими средами: с одной стороны - охлаждаемой, а с другой - нагреваемой. В результате между средами происходит теплообмен. Среды, протекающие поперек гофров, турбулируются, что способствует интенсификации теплообмена. Для сохранения герметичности и выдержки в аппарате разности давлений по обе стороны пластины предусмотрены точки опор гофр. Пакетом является группа пластин, образующих каналы, по которым среда движется только в одном направлении. Один или несколько пакетов, сжатых между неподвижной и подвижной плитами, образуют секцию. Пластинчатые теплообменники можно применять для рекуперации тепла между потоками рабочих сред в охладителях, подогревателях, конденсаторах. При отложении загрязнений на теплопередающих поверхностях можно периодически переключать каналы на такие рабочие среды, которые очищают поверхности от загрязнений, которые поддаются химической промывке.
При сборке пакета пластины повернуть одна относительно другой на 180°С, причем все резиновые прокладки обращены в сторону подвижной плиты. Углы пластин имеют отверстия для прохода рабочих сред. При компоновке пластинчатых теплообменников могут быть использованы два вида пластин: типа Н и типа L. Первые характеризуются высокой степенью гофрировки, высоким коэффициентом теплоотдачи и теплопередачи, высоким гидравлическим сопротивлением. Угол гофра составляет 120°С.
Пластины типа L характеризуются низкой степенью гофрировки, низкой степенью турбулизации потока, небольшим сопротивлением. Угол гофра составляет 60°С. Также существует третий вид теплообменников М, когда пластины H и L чередуются.
1.2 Устройство охладителя жира
Пластинчатый охладитель жира представляет собой набор пластин, изготовленных из пищевой нержавеющей стали с приклеенными по периферии резиновыми уплотнительными прокладками. Набранный комплект пластин стягивается между упорной и нажимной плитами с помощью стяжных болтов. Принцип действия основан на охлаждении продукта путем теплообмена с хладоносителем, протекающем с другой стороны пластины в противоположном направлении. В качестве хладоносителя используют следующие жидкости: ледяная, охлажденная в холодильной установке вода, артезианская вода, рассол, глицерин.
Охладитель представляет собой набор теплообменных пластин, зажатых между упорной и прижимной плитами (рисунок 1.1). Разделительные и крайняя пластины, в отличие от остальных, имеют два отверстия. Каждая пластина, кроме крайней, имеет приклеенную уплотнительную прокладку. Пластины зажаты между плитами стяжными болтами. В упорной плите установлены резиновые кольца, а в прижимной – уплотнительные. Охладитель имеет однотипные пластины, 2 разделительные пластины и 1 крайнюю пластину, установленную у прижимной плиты.
Рисунок 1.1. Пластинчатый охладитель: 1-комплект теплообменных пластин, 2-упорная плита, 3-нажимная плита, 4-штанга, 5-гайка, 6-шпилька, 7 и 10-патрубки для подвода и отвода продукта, 8 и 9-патрубки для подвода и отвода хладоносителя.
1.3 Порядок работы охладителя жира Жир, подлежащий охлаждению, поступает в охладитель через штуцер упорной плиты и попадает в продольный коллектор, образованный отверстиями пластин (рисунок 1.2). По коллектору жир доходит до разделительной пластины и распределяется по каналам между пластинами первого пакета. После охлаждения в межпластинчатых каналах первого пакета жир через отверстие разделительной пластины попадает в продольный коллектор, образованный отверстиями второго пакета, проходит по каналам между пластинами второго пакета, попадает в нижний коллектор и выходит из охладителя через штуцер прижимной плиты по шлангу в емкость для хранения жира.
Рисунок 1.2. Схема движения
теплообменивающихся сред в пластинчатом
охладителе: 1 и 4- патрубки для подвода
и отвода жира, 2 и 3- соответственно
нижний и верхний продольные каналы движения
жира, 5 и 8- патрубки для подвода и отвода
хладоносителя, 6 и 7- нижние продольные
каналы движения хладоносителя.
2. Механизм действия процесса охлаждения
Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики. Тепло передается без затраты работы извне только от тел с высшей температурой к телам с низшей температурой. Это положение является основным для осуществления передачи тепла, так как согласно второму закону термодинамики переход тепла от тела с низкой температурой к телу, обладающему более высокой температурой, без затраты механической энергии невозможен.
3. Расчет и проектирование
3.1 Конструктивное
решение теплообменного
Определяющей особенностью устройства пластинчатых теплообменных аппаратов является конструкция и форма поверхности теплообмена и каналов для рабочей среды. Поверхность теплообмена образуется из отдельных пластин, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи.
Пластины располагают параллельно друг другу, причем между рабочими поверхностями двух смежных пластин создается небольшой зазор, образующий канал для рабочей среды, подвергаемой нагреванию или охлаждению.
Уже на основании общего принципа конструирования пластинчатого теплообменника можно сделать заключение о некоторых его особенностях, весьма важных для практики. Малая толщина пластин и параллельная расстановка с малыми промежутками между пластинами позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно с такой «плотностью», которая недостижима в других типах жидкостных теплообменников. Аппарат состоит из группы теплообменных пластин, подвешенных па верхней горизонтальной штанге. Концы верхней и нижней штанг закреплены в неподвижной плите и на задней стойке. При помощи нажимной плиты и винта пластины в собранном состоянии сжаты в один пакет. На схеме для более ясного изображения потоков рабочих сред показано только пять пластин в раздвинутом положении. В рабочем положении пластины плотно прижаты друг к другу на резиновых прокладках. Каждая пластина имеет прокладки двух назначений: большая резиновая кольцевая прокладка, ограничивающая на лицевой стороне пластины канал для соответствующего потока рабочей среды и охватывающая также два угловых отверстия (с одной стороны пластины или по диагонали), через которые происходит приток среды в межпластинный канал и сток из него и две малые резиновые прокладки, изолирующие два остальных отверстия и создающие транзитный проход для второй рабочей среды. Система уплотнительных прокладок разборного пластинчатого теплообменника построена так, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются две системы герметичных каналов, изолированных одна от другой металлической стенкой и прокладками: одна для горячей рабочей среды, другая для холодной. Одна из этих систем состоит из нечетных каналов между пластинами, а другая из четных, благодаря чему потоки горячей и холодной рабочих сред чередуются. Обе системы межпластинных каналов соединяются со своими коллекторами и далее со штуцерами для входа и выхода рабочих сред, расположенными на плитах.
Конструктивные параметры подобрали по расчетам и подбору рациональных размеров основных величин:
- зазор между пластинами;
- длина пластин;
- ширина пластин;
- число параллельных пластин;
- кратность воды.
3.2 Анализ факторов, принятые допущения
Преимуществами пластинчатых охладителей являются:
- низкая стоимость по сравнению с другими типами теплообменников (достигается за счет улучшения массогабаритных характеристик, оптимизации производственных издержек и высокой технологичности производства); - высокие эксплуатационные характеристики (повышенный коэффициент теплоотдачи, низкая интенсивность накопления отложений, пониженное гидравлическое сопротивление); - надежность (производят с запасом прочности, гарантия на оборудование от 1 года); - износостойкость (устойчивость к коррозии, длительный срок эксплуатации до 20 и более лет);
- легкость техобслуживания;
- высокая компактность(возможность использования
в малых помещениях).
- малая тепловая инерционность;
- высокая стоимость
- требуют периодической
промывки специальными
- плохая ремонтоспособность
(при замене поврежденной
-нестабильность (ухудшение) характеристик (коэффициент теплопередачи, гидравлические потери) от жесткости воды.
При неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса.
3.3
Разработка математической
Общий тепловой баланс Q:
Q= Мж · сж (tж1- tж2 )=Мр · рв (tр2- tр1) , (2.1)
где Мр= Мж · n.
Суммарная ширина пластин S, м:
S=z · (b-0,0083 · b) ,
где z - число параллельных пластин, шт;
b – ширина пластины, м.
Характерный размер l, м:
l=δ ·2 ,
где δ - зазор между пластинами, м.
Массовый расход воды Мв, кг/с:
где Мж – массовый расход жира, кг/с;
Кр – кратность расхода воды.
Диаметр патрубков d, см:
d=√((4·Мж/π·0,5·Рхв)) ,
где Рхв – плотность холодной воды,
Рабочая поверхность пластины F,кг/м3:
F=(b-2·0,0083·b)-(l-2·Q-4·0,
где Q – тепловой поток, Вт.
Общая площадь S, м2:
S=l·b·1,07 ,
где l – длина пластины, м;
b – ширина пластины, м.
Тепловой поток Q, Вт:
Q=Мж·Сж· (tгж-tох) , (2.8)
где Мж – массовый расход жира Мж, кг/с;
Сж – теплоемкость горячего жира Сж, Дж/кг̊С;
tгж – начальная температура горячего жира ̊С;
tох – конечная температура охлажденного жира ̊С.
Конечная температура нагретой воды tк, ̊С:
tк=tхв+Q/(Мв·Св)
где tхв – начальная температура холодной воды,̊С;
Q – тепловой поток, Вт;
Мв – массовый расход воды, кг/с;
Св – теплоемкость холодной воды, Дж/(кг̊С).
Средняя температура жира tср.ж., ̊С:
Средняя температура воды tср.в., ̊С:
tср.в.=(tхв+tк)/2 .
Максимальная разность температур Δtmax , ̊С:
Минимальная разность температур Δtmin, ̊С:
Средняя разность температур Δtср , ̊С:
Δtср=(Δtmax-Δtmin)/Ln(Δtmax/Δm
где Δtmax - максимальная разность температур, ̊С;
Δtmin - минимальная разность температур, ̊С.
Вязкость горячего жира Vгж , м2/с:
Vгж =0,0195/Ргж ,
где Ргж - плотность горячего жира, кг/м3.
Вязкость холодной водыVхв ,м2/с:
Vхв=(0,0178/(1+0,0337·tхв+0,
Коэффициент Прандтля для жира Pr:
Pr=(Cж·Vгж)/λгж , (2.17)
где Cж - теплоемкость горячего жира, Дж/(кг̊С);
Vгж - вязкость горячего жира, м2/с;
λгж - коэффициент теплопроводности горячего жира, Вт/(м·К).
Коэффициент Прандтля для воды Pr:
Рr=(Cв·Vхв·Рхв)/λхв , (2.18)
где Cв - теплоемкость холодной воды, Дж/(кг·̊С);
Vхв – вязкость холодной воды, м2/с;
Рхв – плотность холодной воды, кг/м3;
λхв – коэффициент теплопроводности холодной воды, Вт/(м·К).
Скорость жира Vж, м/с:
Vж=Мж/(δ·S·Ргж) . (2.19)
Скорость воды Vв, м/с:
Vв=Мв/(δ·S·Рхв) . (2.20)
Критерий Рейнольдса для жира Re:
Re=Vж·l/Vгж .
Критерий Рейнольдса для воды Re:
Re=Vв·l/Vгж . (2.22)
Критерий Нуссельта для жира Nu:
Nu=0,135·Re0,73·Pr0,43·0,95 .
Критерий Нуссельта для воды Nu:
Nu=0,135·Re0,73·Pr0,43·1,05
.
Коэффициент гидравлического сопротивления для жира λж :
λж=11,2/Re0,25 .
Коэффициент гидравлического сопротивления для воды λв :
λв=11,2/Re0,25 . (2.26)
Коэффициент теплоотдачи для жира αгж , Вт/(м2· К):
αгж=Nu·λгж/l . (2.27)
Коэффициент теплоотдачи для воды αхв , Вт/(м2·К):
αхв=Nu·λхв/l .
Коэффициент теплопередачи для жира k, Вт/(м2 ·К):
k=1/(1/αгж+1/αхв+(δст/ λст+δ1/λ1+δ2/λ2) , (2.29)
где αгж – коэффициент теплоотдачи для жира Вт/(м2 ·К);
αхв – коэффициент теплоотдачи для воды Вт/(м2 ·К);
δст - толщина стенки, м;
λст – коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·К);
δ1 - толщина накипи со стороны жира, м;
λ1 – коэффициент теплопроводности со стороны жира, Вт/м·ºC;
δ2 - толщина накипи со стороны воды, м;
λ2 - коэффициент теплопроводности со стороны воды, Вт/м·ºC.
Площадь теплообмена F,м2 :
F=Q/(Δtср·k) ,
где Q - тепловой поток, Вт;
Δtср - средняя разность температур, ºC;
k - коэффициент теплопередачи для жира , Вт/(м2 ·К).
Фактическая площадь Sфакт, м :
Sфакт=l·b·N ,
где l - длина пластины, м
b - ширина пластины , м;
N - округленное количество пластин ,шт.
Длина пластины L, м:
L=Fт/S , (2.32)
где Fт - площадь теплообмена ,м2;
S - суммарная ширина пластин, м.
Потери напора на трение жира Птр.ж.,Па:
