Расчет пластинчатого теплообменника

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. И. И. ПОЛЗУНОВА

 

Кафедра «Технология продуктов питания»

 

УДК _____________                           Курсовая работа защищена с оценкой

                                                                              _________________________

                                                 Руководитель работы:

                                                                    __________________________

                                                                       подпись, должность, и.о.фамилия

 

 

Расчет пластинчатого  теплообменника

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА  К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

КР 260303.02.000ПЗ

 

 

 

Работу  выполнил

студент гр. ТМП -01                                                Большакова А.В.

                                                                         подпись,                         и.о.фамилия

 

 

 

Нормоконтролер                                            доцент , к.т Кольтюгина О.В.

                                                                              подпись, должность, и.о.фамилия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Барнаул 2012

Содержание

Введение………………………………………..…………………………..........3

1 Описание  проектируемого объекта…………………………………………..4

1.1 Преимущества  и недостатки пластинчатого теплообменника...………. ..5

2 Технологический  расчет……………………………………………………....6

3 Эксплуатационные приемы улучшения качества технологического процесса ………………………………………………………………………..20

4 Основные правила безопасной работы на пластинчатом теплообменнике. Технические требования……………………………………….……………...22

Заключение……………………………………………………………………..24

Список литературы…………………………………………………….............25

Приложение А: задание 
Приложение B: схема пластинчатого теплообменника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Пластинчатые теплообменники предназначены  для перераспределения теплоты  в системе, нагрева элементов  системы или их охлаждения. В основе этих аппаратов лежит простой  принцип теплопроводности, то есть передачи теплоты через твердое  тело.

Пластинчатые теплообменные аппараты представляют собой блоки, состоящие  из металлических пластин. Каждая пластина гофрирована для увеличения площади  поверхности. Холодные пластины чередуются с горячими, за счет чего и происходит перераспределение теплоты. Гофрированные пластины объединяются в пакеты и стянуты специальными резьбовыми шпильками. Объединяет конструкцию стальная рама. Между пластинами имеются каналы, через которые протекают теплоносители - специальные жидкости. Жидкости движутся в противотоке, что позволяет максимально эффективно передавать тепло.

Сфера применения пластинчатых теплообменников  чрезвычайно широка. Их можно использовать практически на любом производстве, связанном с перераспределения  тепла в технологической системе. Особенно часто их можно встретить  на металлургических предприятиях, нефтеперерабатывающих  заводах, на предприятиях химического  синтеза. Также их используют в котельных  и на энергетических предприятиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Описание пластинчатой пастеризационно-охладительной установки марки А1-ОК2Л-5

Пластинчатые подогреватели осуществляют подогрев молока с температуры хранения от 4 до 6°С до температуры от 40 до 45°С. Это необходимо перед сепарированием или гомогенизацией. В подогревателях пластинчатого типа процессы теплообмена проходят в непрерывном тонкослойном закрытом потоке при автоматическом контроле и регулировании технологического процесса.

Пластинчатый подогреватель для  молока может состоять из пластинчатого  теплообменника, системы подготовки горячей воды, пульта управления, системы  контроля и автоматического регулирования  технологическим процессом обработки  продукта, трубопроводов, клапанов, смонтированных на раме. Подогреватель пластинчатого  типа компактен и представляет собой  модульную конструкцию, имеющую  высокую монтажную готовность.

Пластинчатый подогреватель для  молока предназначен для подогрева  молока перед сепарированием или  гомогенизацией в непрерывном тонкослойном закрытом потоке при автоматическом контроле и регулировании технологического процесса.

Пластинчатый подогреватель для  молока состоит из пластинчатого  теплообменника, системы подготовки горячей воды, который включает в себя конвекционный бак, насос для горячей воды и инжектор, пульта управления, системы контроля и автоматического регулирования технологическим процессом обработки продукта, трубопроводов, клапанов, смонтированных на раме. Подогреватель компактен и представляет собой модульную конструкцию, имеющую высокую монтажную готовность.

 

 

 

1.  Преимущества и недостатки пластинчатого теплообменника

Преимущества  разборных пластинчатых теплообменников следующие:

• относительно небольшие габаритные размеры
• простота сервисного обслуживания. Разборная конструкция позволяет легко очищать пластины и каналы теплообменника
• возможность изменения мощности теплообменника путем изменения количества и типа пластин
• ремонтопригодность. В случае появления протечек можно произвести замену пластин и уплотнений.

Недостатки  разборных пластинчатых теплообменников

Однако, не смотря на все свои достоинства, разборный пластинчатый теплообменник имеет межпластинчатые уплотнения, применение которых накладывает некоторые ограничения на применение данных аппаратов:

• ограничение температур и давлений рабочих сред
• невозможность применения некоторых рабочих сред, активных относительно материалов уплотнений
• серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет пластинчатой пастеризационно-охладительной установки

 

Техническая характеристика оборудования приводится в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные для проектирования пластинчатого теплообменного аппарата

Показатель	Значения
Производительность установки для  молока, л/ч	5000
Начальная температура молока, ºC	5
Конечная температура молока, ºC	4
Коэффициент регенерации	0,82
Начальная температура горячей воды, ºC	79
Кратность горячей воды	4
Начальная температура холодной воды, ºC	8
Кратность холодной воды	3
Начальная температура ледяной воды, ºC	1
Кратность ледяной воды	4
Температура молока после секции водяного охлаждения, ºC	10

Основные  данные пластины П – 2 даны в таблице 2.

Таблица 2: Основные данные пластины П – 2

Показатель	Значение
Поверхность теплообмена, м2	0,2
Рабочая ширина, м	0,27
Приведенная длина потока, м	0,8
Расстояние между пластинами, м	0,0028
Площадь поперечного сечения одного канала, м	0,0008
Эквивалентный диаметр потока, м	0,0056
Теплопроводность пластин, Вт/(м К)	16

 

 

 

Порядок расчёта.

Наметим принципиальную схему комбинированного аппарата, состоящего из четырёх секций: регенерации (1), пастеризации нагревания молока горячей водой (2),  водяного охлаждения (3), и охлаждения его рассолом (4).

Условная  схема изменения температур теплоносителей для всех секций теплообменника представлена на рис.3.

 

Рисунок 3. Условная схема изменения температур теплоносителей четырёхсекционного комбинированного теплообменника:

I – секция регенерации

II – секция пастеризации

III – секция водяного охлаждения

IV – секция ледяного охлаждения

 Тепловой расчет аппарата.

Определение средней разности температур в секциях.

Секция регенерации.

Определение температуры сырого молока в конце секции регенерации:

       ₍₄₎

где t₃ – температура пастеризации молока, ºC, - коэффициент регенерации, t₁ – начальная температура молока, ºC.

  

Определение температуры пастеризованного молока после секции регенерации:

              (5)

Определение разности температур в секции регенерации:

(6)

.

Секция пастеризации.

Определение температуры горячей воды при выходе из секции пастеризации:

(7)

 

(8)

 

(9)

 

(10)

Определение средней разности температур:

      ₍₁₁₎

Секция охлаждения водой.

Определение температуры холодной воды, выходящей  из водяной секции:

(12)

 

(13)

 

(14)

 

(15)

Определение средней разности температур:

       ₍₁₆₎

Секция охлаждения ледяной водой.

(17)

 

(18)

 

(19)

 

(20)

Определение средней разности температур:

      ₍₂₁₎

Определение скорости потоков в  секциях.

Определение объемной производительности по молоку:

,         (22)

 

Определение числа каналов в пакете при  скорости молока:

 

(23)

 

Принимаем m=4, тогда действительная скорость молока:

 

Скорость  горячей и ледяной воды принимаем:

 

Определение теплофизических свойств  молока и рабочих жидкостей.

Секция регенерации тепла.

При средней температуре сырого молока в секции (сторона нагревания):

             t _ср = (t₁ + t₂) / 2 = (5+63,2) / 2 = 34,1 ⁰C    (24)

теплофизические свойства молока:

λ = 0.502 Вт/м К;

 μ = 1196 · 10⁶ Па · с;

 ρ = 1023 кг/м³;

С = 3905 Дж/кг К;

Р_r = 9,05.

При средней  температуре пастеризованного молока в секции (сторона охлаждения):

             t _ср = (t₃ + t₄) / 2 = (76+17,8) / 2 = 47,9 ⁰C    (25)

теплофизические свойства молока:

λ = 0.513 Вт/м К;

 μ = 940,8 · 10⁶ Па · с;

 ρ = 1018 кг/м³;

 С = 3918 Дж/кг К;

 Р_r = 7,12.

Секция пастеризации.

При средней температуре горячей  воды (сторона охлаждения)

             t _ср = (t_гн + t_гк) / 2 = (79+76) / 2 = 77,5 ⁰C    (26)

теплофизические свойства воды:

λ = 0.671 Вт/м К;

μ = 377,3 · 10^-6 Па · с;

ρ = 974,8 кг/м³;

С = 4215 Дж/кг К;

Р_r = 2,35.

Определение средней температуры  молока (сторона нагревания)

             t _ср = 77,5 – t_n = 77,5 – 6,75 = 70,75 ⁰C    (27)

теплофизические свойства молока:

λ = 0.616 Вт/м К;

μ = 617,4 · 10^-6 Па · с;

 ρ = 1005,2 кг/м³;

 С = 3855 Дж/кг К;

 Р_r = 3,90.

Секция охлаждения молока водой

При средней температуре холодной воды (сторона нагревания)

             t _ср = (t_вн + t_вк) / 2 = (8+10,4) / 2 = 9,2 ⁰C    (28)

теплофизические свойства молока:

λ = 0.586 Вт/м К;

μ = 1127 · 10^-6 Па · с;

ρ = 998,9 кг/м³;

С = 4,211 Дж/кг К;

Р_r = 8,15.

При средней температуре молока (сторона охлаждения):

             t _ср = t_в + 9,2 = 4+9,2 = 13,2 ⁰C      (29)

теплофизические свойства молока:

λ = 0,477 Вт/м К;

μ = 2469,6 · 10^-6 Па · с;

ρ = 1012,8 кг/м³;

С = 3909 Дж/кг К;

Р_r =17.

Секция охлаждения молока ледяной  водой

При средней температуре сырого молока в секции (сторона нагревания)

             t _ср = (t_лн + t_лк) / 2 = (1+2,4) / 2 = 1,7 ⁰C    (30)

теплофизические свойства молока:

λ = 0.551 Вт/м К;

μ = 1788,5 · 10^-6 Па · с;

ρ = 999,8 кг/м³;

С = 4240 Дж/кг К;

Р_r = 13,4.

При средней температуре молока (сторона охлаждения)

             t _ср = (t₅ + t₆) / 2 = (10+4) / 2 = 7 ⁰C     (31)

теплофизические свойства молока:

λ = 0,430 Вт/м К;

μ = 2965,6 · 10^-6 Па · с;

ρ = 1031 кг/м³;

С = 3879 Дж/кг К;

Р_r = 26,6.

Определение критерия подобия Рейнольдса

(32)

Секция регенерации теплоты

Для холодного молока

 

Для горячего молока

 

Секция пастеризации

Для молока

 

Для горячей воды

 

Секция охлаждения водой

Для молока

 

Для воды

 

Секция охлаждения ледяной водой

Для молока

 

Для ледяной воды

Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи

Определение коэффициентов теплоотдачи

.        (33)

Секция регенерации теплоты

При охлаждении пастеризованного молока

При нагревании сырого молока

Определение коэффициента теплопередачи с учетом отложений молочного камня на пластинах при коэффициенте использования 

    ₍₃₄₎

Секция  пастеризации молока

При охлаждении горячей воды коэффициент теплоотдачи равен:

=12695

При нагревании молока коэффициент теплоотдачи равен:

Определение коэффициента теплопередачи с учетом отложений молочного камня на пластинах при коэффициенте использования 

   ₍₃₅₎

Секция  охлаждения молока водой

При охлаждении молока

При нагревании воды

 

Определение коэффициента теплопередачи с учетом отложений молочного камня на пластинах при коэффициенте использования 

   ₍₃₆₎

Секция  охлаждения молока ледяной водой

При охлаждении пастеризованного молока

При нагревании сырого молока

 

Определение коэффициента теплопередачи с учетом отложений молочного камня на пластинах при коэффициенте использования 

    ₍₃₇₎

Конструктивный  расчет пластин аппарата

Определение рабочих поверхностей теплопередачи и числа пакетов  в секциях

Секция  регенерации теплоты

;      (38)

=13,8 м².

Определение числа пластин в секции:

(39)

 

Определение числа пакетов в секции на стороне  молока:

(40)

 

Принимаем x_р=9.

;

=4,11 м².

Определение числа пластин в секции:

(41)

 

Определение числа пакетов в секции на стороне  молока:

(42)

Принимаем x_р=3.

Секция  охлаждения водой

;      (43)

=5,48 м².

Определение числа пластин в секции:

(44)

 

Определение числа пакетов в секции на стороне  молока:

(45)

 

Секция  охлаждения ледяной водой

;      (46)

=2,96м².

Определение числа пластин в секции:

(47)

 

Определение числа пакетов в секции на стороне  молока:

(48)

 

Определение общего числа пластин в теплообменнике

(49)

Данное число хорошо согласуется  с числом пластин в типовом  теплообменнике (n=133).

Зная для всех секций значения m и x, примем следующую компановку секции установки:

Секция  регенерации 

Секция  пастеризации .

Секция  охлаждения водой .

Секция  охлаждения ледяной водой .

Гидравлический расчет аппарата и подбор насоса

Определение гидравлического сопротивления

 Секция  регенерации теплоты (x_p=9)

Для потока нагреваемого молока при Re_p=2017

       ₍₅₀₎

Определение гидравлического сопротивления  секции на стороне горячего молока:

      ₍₅₁₎

(52)

_{Где Lп – приведенная длина потока, м; F – поверхность теплообмена, м²; b – рабочая ширина, м;}

Определение для потока горячего охлаждаемого молока при Re_p=2666:

_{Определение гидравлического  сопротивления секции на стороне горячего молока:}

Секция  пастеризации молока (x_п=3)

Для потока пастеризуемого молока при Re_p=3931

_{Определение гидравлического  сопротивления секции:}

Секция  охлаждения молока водой (x_в=3)

Для потока охлаждаемого молока при Re_p=1114

_{Определение гидравлического  сопротивления секции:}

г) Секция охлаждения молока ледяной водой (x_л=2)

Для потока пастеризуемого молока при Re_p=902

_{Определение гидравлического  сопротивления секции:}

Определение общего гидравлического  сопротивления теплообменника по линии  движения молока:

(53)

 

Подбираем центробежный насос по общему напору и производительности аппарата, полученные ранее в расчетах. Этим данным соответствует центробежный молочный насос 75 МЦ 50-31.

 

 

 

3 Эксплуатационные приемы улучшения качества технологического процесса

Стандартное исполнение ПТО конципировано на эксплуатацию в закрытых не холодных помещениях, при эксплуатации при  наружних условиях требуется использование защитного оснащения или особое исполнение! Эти мероприятия необходимы также при эксплуатации в помещениях с повышенной влажностью (более 70%). Стандартно ПТО должен эксплуатироваться на ровной поверхности в положении стоя, если спецификацией к заказу не определено его другое положение. Кроме того необходимо убедиться в том, что температура окружающей среды не превышает максимально допустимую рабочую температуру ПТО и что уплотнения защищены от механических воздействий и разрушающих их веществ, например, кислот, газов. В зонах монтажа и складирования не должно быть приборов, сильно производящих озон (напр. дуговые сварочные  
аппараты). Озон приводит к преждевременному старению эластомерных уплотнений. Тоже относится к солнечному и ультра-фиолетовому излучению. Если ПТО складируется в открытом пространстве, он должен быть защищён от проникновения влаги, солнечного света и утеплён. На стяжные шпильки должно быть нанесено средство защиты от коррозии (смазка).

Для отведения  воздуха при заполнении аппарата в обоих контурах ПТО в самой  высокой точке его порта присоединения  устанавливается вентиль развоздушивания. Между нажимной плитой и опорой находится т.н. «зона вскрытия» ПТО, которая не должна быть занята трубопроводами. 

В особенности  у многоходовых ПТО перед монтажом трубопроводов необходимо убедиться  в правильности затяжки пакета пластин. У новых ПТО или ПТО с  новыми уплотнениями размер пакета пластин  находится в значении «pp max.». (смотри типовой шильд или тех. документацию).  
Присоединение к портам на нажимной плите или промежуточным фитингам должно иметь подвижность параллельно стяжным шпилькам. Это обеспечивается установкой компенсаторов. Трубопроводы входа и выхода должны быть оснащены запорной арматурой, чтобы при выполнении профилактических работ ПТО мог быть отключён от внешних систем. При лёгком загрязнении пластины могут очищаться непосредственно у разобранного ПТО проточной тёплой водой с применением мягкой щётки.

Сильные загрязнения могут также удаляться  с помощью моющей установки высокого давления. При очистке не должна быть повреждена поверхность нержавеющей  пластины (пассивный слой). Поэтому  применение чистящих и абразивных средств, а также металлических щёток  и т.п. не допустимо! При выполнении работ с моющими установками высокого давления соблюдать достаточное расстояния до пластины. Уплотнения могут быть выбиты струёй высокого давления из канавки! 

Очень сильные  отложения на пластине могут быть удалены химическим вымачиванием. При  этом должны быть выбраны химикалии  для очистки так, чтобы не был  повреждён материал уплотнений и  пластин. Его пригодность для  данных материалов должна быть подтверждена производителем моющего средства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Основные правила безопасной работы на пластинчатом теплообменнике. Технические требования

В следующих ситуациях  существует риск телесных повреждений:

• ожог в результате касания теплообменника или других компонентов установки;
• неконтролируемый выброс находящейся под высоким давлением среды, при котором существует опасность ожога или других повреждений;
• контакт с химическими реагентами;
• касание острых краев установки.

В следующих ситуациях  существует риск повреждения оборудования:

• внешние силы;
• коррозия;
• действие химических веществ;
• эрозия;
• усталость материалов;
• гидравлический удар;
• тепловой и (или) механический удар;
• нарушения при транспортировке и грузоподъемных операциях.

После прекращения работы установки отдельные ее части могут оставаться горячими.

Горячая среда не может  двигаться через теплообменник  в отсутствии движения охлаждающей  среды. Это сделано во избежание  повреждения теплообменника.

В том случае, если охлаждающая  среда присутствует, но не движется, и при этом горячая среда движется через теплообменник, охлаждающая  среда начнет кипеть, что приведет к повреждению теплообменника.

Следует предотвращать резкие изменения температуры и давления.

В том случае, если теплообменник (наполненный водой или смесью на основе воды), находящийся в нерабочем  состоянии, оказывается под воздействием температур ниже нуля, возможны деформации пластин. При наличии вероятности резкого похолодания теплообменник следует полностью освободить от находящегося в нем флюида.

Разборные пластинчатые теплообменники могут в любой момент дать течь. Рекомендуется учитывать это  при монтаже. В оптимальном случае следует установить поддон под теплообменником  для предотвращения попадания рабочего флюида на пол и (или) повреждения  электрооборудования (короткое замыкание  или повреждение от влаги).

При использовании теплообменника в условиях температуры свыше 60°  C или с активными флюидами, рекомендуется оградить теплообменник защитным экраном для предотвращения риска прикосновения к нему.

При необходимости проведения сварочных работ в непосредственной близости от теплообменника, не допускается  использование теплообменника в  качестве заземления.

Электрические токи способны нанести значительные повреждения  пластинам и прокладкам.

При необходимости проведения сварочных работ на теплообменнике следует отсоединить фланцы и  отключить теплообменник от общей  системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение 

Были проведены расчеты теплообменного аппарата, определены необходимые параметры для исправной работы  пластинчатой пастеризационно-охладительной установки А1-ОК2Л-5.  

Пластинчатые теплообменники по своим характеристикам занимают достаточно большую нишу в общем ряду теплообменных аппаратов. Конечно, в отличие от трубчатых, они не рассчитаны на работу с высокими температурами и давлениями, но их эффективность для применений на водных средах выше в несколько раз. Основными областями применения пластинчатых теплообменников на сегодня являются нагрев и охлаждение различных жидкостей и газов, конденсация паров, рекуперация тепла и т.п. Сейчас практически ни одна отрасль промышленности не обходиться без применения пластинчатые теплообменники.