Расчет пластинчатого теплообменника. 3

Министерство сельского  хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Ульяновская  государственная сельскохозяйственная

академия имени П.А. Столыпина

Кафедра МПППЖ

Курсовая работа

по дисциплине

Процессы и  аппараты

Выполнил: студентка

инженерного факультета

4 курса  1  группы

Камскова Е.А.

Номер з.к. 09121

Проверил:

доцент Игонин В.Н.

Ульяновск - 2013

Содержание

Введение…………………………………………………………………..……...

1.Характеристика продукта……………………………………….…………….

2.Характеристика процесса………………………………………..……………

3.Конструктивные особенности пластинчатых теплообменных аппаратов……………………………………………………………….……………..…

4. Структура и схемы пластинчатых теплообменников………………............

5. Расчет пластинчатого теплообменника……………………………………..

5.1 Тепловой расчет……………………………………………………….……

5.2 Компоновочный расчет и уточнение величины рабочей поверхности…………………………………………………….………………………….

5.3 Гидромеханический расчет…………………………..…………………….

5.4. Расчет габаритных размеров теплообменника……………………………

6. Монтаж оборудования………………………………..………………………

7.Литература……………………………………………………..………………

Введение

Применение специальных материалов для изготовления пластин и прокладок дает возможность использовать пластинчатые теплообменники в химической и нефтехимической промышленности, энергетической промышленности, а также в черной и цветной металлургии.

Широкий типоразмерный  ряд производимых пластинчатых теплообменников позволяет удовлетворять потребности в передаче тепла для любых потребителей.

В пищевой промышленности пластинчатые теплообменники востребованы в связи с отличными гигиеническими показателями .

Высокие теплопередающие свойства пластинчатых теплообменников позволяют решать задачи теплообмена с практически нулевым температурным диапазоном. Разница между греющей и нагреваемой средой может составлять около одного градуса. Это идеальное средство для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, содержащейся в различных жидкостях.

Малые габаритные размеры и масса пластинчатых теплообменников позволяют их применять в кораблестроении.

Стойкость материалов теплообменников к агрессивным рабочим средам, позволяют их применение для усовершенствования технологических процессов.

1. Характеристика продукта

Тепловая обработка (нагревание и охлаждение) является обязательной технологической операцией в производстве молочных продуктов. Для продления бактерицидных свойств, а следовательно, и сохранения качества молока, его сразу после выдаивания необходимо охладить до 2-4 °С. При охлаждении повышается вязкость молока, происходит частичная кристаллизация и расслоение жировых шариков, распадается псевдоглобулин.

Мезофильные микроорганизмы сохраняются  при температуре ниже минимальной, но не размножаются. При длительном холодильном хранении может происходить разрушение микроорганизмов с выделением эндоферментов, что отрицательно сказывается на качестве продукта.

Кратковременное замораживание молока — обратимый процесс. При длительном хранении молока в замороженном состоянии в результате вымораживания чистой воды увеличивается концентрация электролитов в незамерзшей части, что приводит к разряду коллоидных частей молока и выпадению их в осадок (коагуляция казеина).

Молоко, подвергнутое замораживанию, быстрее сбивается, хуже свертывается сычужным ферментом. При замораживании кристаллизуется молочный жир и образуется свободный жир за счет дестабилизации оболочек жировых шариков. После замораживания-оттаивания возможно появление водянистости и сладковатого вкуса молока, как результата появления воды, не связанной с белками, лактозой и другими веществами.

Нагревание приводит к более  глубоким изменениям, чем охлаждение и перемешивание. При нагревании теряются газы и летучие вещества. При температуре 55 °С начинают разрушаться ферменты, при 70 °С свертывается альбумин, казеин изменяется лишь на границе соприкосновения с воздухом. Нагревание разлагает лимонную кислоту, кислые соли кальция переходят в средние. Сильные изменения претерпевают сывороточные белки, ферменты и часть витаминов; изменяется вкус молока. Казеин и истинно растворимые составные части молока изменяются незначительно.

При длительном нагревании и стерилизации происходит потемнение (побурение) продукта — результат взаимодействия казеинатов с лактозой. Образующиеся меланоидины — вещества комплексной природы, интенсивность образования которых зависит от температуры и продолжительности нагревания, рН и концентрации сухих веществ.

Влияние нагревания на витамины молока определяется температурой и присутствием кислорода воздуха. При пастеризации в пластинчатых теплообменниках витамины практически не разрушаются. Сильное разрушение витаминов происходит при кипячении.

На фермах и молочных предприятиях сырое и пастеризованное молоко охлаждают и хранят при температуре 4 - 10°С. 
Охлаждение сырого молока способствует увеличению продолжительности бактерицидной фазы. Бактерицидные свойства молока обусловливаются наличием в нем антибактериальных веществ. Их количество зависит от индивидуальных особенностей, физиологического состояния животных и изменяется в течение лактационного периода (особенно высокой антибактериальной активностью обладает молозиво).  
      По окончании бактерицидной фазы в молоке при высокой температуре хранения (13 - 15°С) начинается быстрое размножение разнообразной микрофлоры. При этом в нем могут накапливаться бактериальные токсины, вызывающие сильные пищевые отравления, появляются окисленный и прогорклый привкусы, повышается титруемая кислотность, и молоко свертывается. Поэтому температура 6 - 10°С является предельной для кратковременного (не более 1 сут.) хранения сырого молока. При необходимости более длительного хранения (2 - 3 сут.) молоко охлаждают до температуры 2 - 4°С. и технологические свойства молока. 
При охлаждении молока жир переходит из жидкого состояния в твердое, в результате чего повышаются его вязкость и плотность. Механические воздействия (при транспортировании, очистке, перемешивании, перекачивании и т. д.) могут привести к повреждению оболочек и повышению степени дестабилизации жировой фазы. В таком молоке активнее происходят липолиз и окисление липидов. 
Различают два вида липолиза, вызываемого нативными липазами: спонтанный (самопроизвольный) и индуцированный (наведенный). 
Спонтанный лило/шз происходит при охлаждении молока. В процессе охлаждения плазменная липаза самопроизвольно адсорбируется оболочками жировых шариков и вызывает гидролиз жира. Склонность или чувствительность молока к развитию в нем спонтанного липолиза обусловлена индивидуальными особенностями животного, рационом кормления, периодом лактации и другими факторами. 
Индуцированный липолиз происходит при активировании липаз с одновременным разрушением оболочек жировых шариков в результате получения и обработки молока.  
В результате липолиза в молоке увеличивается (на 30 - 70%) количество свободных жирных кислот, и появляются прогорклый вкус, мыльный и другие привкусы. Качество выработанных из него масла, молочных консервов и других продуктов снижается. 
При длительном низкотемпературном хранении молока уменьшается средний диаметр казеиновых мицелл. Молоко медленнее свертывается сычужным ферментом, снижается интенсивность синерезиса сычужных и кислотных сгустков. 
В процессе хранения в плазме молока повышается количество ионов кальция. Поэтому с увеличением продолжительности хранения термоустойчивость молока снижается, что необходимо учитывать при производстве молочных консервов. Для длительного хранения молоко следует пастеризовать и затем охладить до 4 - 6°С. 
Хранение сырого молока при 4°С не вызывает заметного снижения содержания витаминов.

2. Характеристика процесса. 
Во время производства молока возникает один из самых главных вопросов - поддержание его качества. Для того чтобы молочные продукты не портились и дольше хранились применяются новые технологии по охлаждению и термообработке, это уменьшает деятельность микробов и уничтожает их. 
Поэтому на молочных заводах широко используются нагреватели и охладители молока . Для пастеризации молочных продуктов используют нагреватели. Пастеризация проходит так: молочный продукт необходимо довести до температуры от 65 до 95° С. Но при пастеризации должны соблюдаться правила сохраняющие максимальный бактерицидный эффект, удерживающие первичные свойства молока и сохраняющие его биологические ценности. 
Сегодня пастеризаторы нашли применение не только на молочных заводах, но и на фермах. Тут она помогает произвести первичную обработку продукта.  
После тепловой обработки молока важно его охладить. Так как процесс охлаждения снижает развитие бактерий в молоке, которые приводят к сквашиванию продукта. Рост таких бактерий замедляется при 10° С температуре и при 4° С рост полностью останавливается. 
Процесс охлаждения молока, точно так же как и нагревание, производиться двумя способами открытым и закрытым. 
Для осуществления процесса охлаждения молока применяются емкости разных объемов с пластинчатыми теплообменниками и оросительными установками. В закрытом способе в качестве охлаждающей среды используется холодная вода, которая через пластины теплообменника охлаждает молоко. 
Также сам испаритель соединяется с компактным компрессорно-конденсаторным аппаратом. В таких емкостях обязательно должны присутствовать мешалка и автоматическая мойка, для поддержания чистоты в установке. 
При охлаждении молока температура самого продукта не должна опускаться ниже 6°С, чтобы сохранить жирность и питательные свойства молока. Очень важно осуществить процесс охлаждения молока не позднее, чем 3 часа после его получения. Таким образом, охладитель молока дает возможность производителям молока увеличить срок хранения и безопасно осуществлять его дальнейшую обработку.

3. Конструктивные особенности пластинчатых теплообменных  
аппаратов

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, поверхность теплообмена которых образована из тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью.

Рабочие среды в теплообменнике движутся в щелевых каналах между  соседними пластинами. Каналы для  греющего и нагреваемого теплоносителей чередуются между собой. Простейший теплообменник состоит не менее, чем из трех пластин, которые образуют два канала: один для греющего теплоносителя, второй для нагреваемого. Гофрированная поверхность пластин усиливает турбулизацию потоков рабочих сред и повышает коэффициенты теплоотдачи. Размеры, формы и профили поверхности пластин разнообразны. 
Из теплопередающих пластин, основного сборочного элемента теплообменника, собирают пакет. При этом каждая последующая пластина повернута на 180° относительно смежных, что создает равномерную сетку пересечения и взаимных точек опор вершин гофр. Между каждой парой соседних пластин образуется щелевой канал сложной формы, по которым и протекает рабочая среда. Жидкость при движении в них совершает пространственное трехмерное извилистое движение, при котором происходит турбулизация потока. Угловые отверстия для прохода рабочей среды имеют форму, обеспечивающую снижение гидравлических сопротивлений на входе в канал и выходе из него, снижение отложений на этих участках и позволяющую более рационально использовать всю площадь пластины для теплообмена. 
Рама аппарата, на которой устанавливаются пластины, образуется опорной плитой, верхней и нижней штангами, закрепленными в опорной плите и поддерживаемыми стойкой.

4. Структура и схемы пластинчатых теплообменников

В промышленных аппаратах  число пластин в некоторых конструкциях может достигать нескольких сот, а образуемые ими каналы могут быть соединены по различным одноходовым и многоходовым схемам. Сами аппараты по конструкции могут быть односекционными и многосекционными или комбинированными.

Односекционным пластинчатым теплообменником называется аппарат, в котором в теплообмене участвуют только две рабочие среды. Можно сказать, что такой аппарат выполняет только одно задание по теплообмену.

В пищевой промышленности широкое применение находят и  такие конструкции пластинчатых аппаратов, в которых происходит несколько видов тепловой обработки жидкого пищевого продукта – основной рабочей среды. Это достигается путем соединения в одном аппарате нескольких взаимосвязанных, но самостоятельных теплообменных зон, в которых, например, нагревают продукт паром с целью стерилизации или пастеризации, затем постепенно охлаждают его холодным продуктом, идущим на подогрев, потом холодной водой и, наконец, хладоносителем до конечной температуры. Такую конструкцию имеют известные пастеризационно-охладительные аппараты, которые принято называть комбинированными.

Рассмотрим  схему односекционного пластинчатого  теплообменника и определим связанные  с ней понятия (рисунок 2).

Рисунок 2 –  Схема односекционного пластинчатого  теплообменника

Элементом тракта движения жидкости в пластинчатом аппарате является канал — пространство между двумя соседними пластинами.

Рабочая среда, входящая в аппарат, попадает в каналы через продольные коллекторы, образованные угловыми отверстиями пластин и малыми прокладками, окружающими эти отверстия.

Из коллектора рабочая среда распределяется обычно по нескольким параллельным каналам. Совокупность нескольких каналов, по которым рабочая  среда течет в одном направлении, в практике проектирования называют пакетом.

Понятие пакет  в пластинчатом теплообменнике соответствует  понятию хода в кожухотрубчатом.

По выходе из первого пакета рабочая среда попадает в противоположный коллекторный канал, проходит по нему вдоль аппарата до очередной граничной пластины (пластины с заглушённым угловым отверстием) и распределяется по каналам второго пакета. Во втором пакете рабочая среда движется в направлении, противоположном ее движению в первом пакете, Второй пакет может быть по числу каналов равен первому или не равен ему, как показано на рисунке 2.

При различном  числе каналов в расположенных  последовательно пакетах скорость движения рабочей среды в каждом пакете будет изменяться.

При одинаковом числе каналов в пакетах скорость рабочей среды практически не изменяется.

Вторая рабочая среда, движение которой на схемах показано штриховой линией, проходит по своему коллекторному каналу и движется затем в межпластинных каналах, смежных с каналами для первой рабочей среды.

В компоновках  каналов для рабочих сред возможны различные варианты:

1. Схему компоновки, при которой число каналов  в пакетах для первой и второй рабочих сред одинаково, называют несимметричной.

При симметричной схеме компоновки одна рабочая среда  проходит последовательно такое  же число пакетов, как и другая

2. Схему компоновки, при которой число каналов в пакетах для первой и второй рабочих сред неодинаково, называют несимметричной.

Для поддержания приблизительного равенства скоростей рабочих  сред в каналах при несимметричной схеме компоновки необходимо, чтобы отношение расходов было обратно пропорционально отношению чисел каналов.

3. Число пакетов  на стороне второй рабочей  среды неодинаково с числом  пакетов на стороне первой  рабочей среды (рисунок 2).

При компоновке пластин в пластинчатом теплообменнике особое значение имеет компоновка пакетов со стороны основной (обрабатываемой) рабочей среды, так как обычно расход этой среды через аппарат (производительность аппарата) строго задан и от числа параллельных каналов в пакете зависит скорость продукта, а следовательно, и другие параметры процесса работы теплообменника.

Относительное направление движения обеих рабочих  сред через пластинчатый теплообменник  может быть различным в зависимости  от сочетания общих и частных направлений движения рабочих сред через аппарат в целом и через межпластинные каналы. Различают следующие общие случаи:

а) частный противоток при общем противотоке, т. е. противоток и в каналах пакетов и в  целом аппарате (чистый противоток) (рисунок 3а);

б) смешанный  ток (рисунок 3б);

в) смешанный  частный ток при общем противотоке(рисунок 3в);

г) частный прямоток при общем противотоке (рисунок 3г);

д) смешанный  частный ток при общем прямотоке (рисунок 3д);

е) частный прямоток при общем прямотоке (чистый прямоток) (рисунок 3е),

Рисунок 3 – Схемы относительного движения рабочих сред в пластинчатом теплообменнике.

При чистом противотоке  в условиях многопакетной компоновки пластины, находящиеся на границах пакетов внутри аппарата, работают на прямотоке, а при чистом прямотоке  соответственно на противотоке, однако практическое влияние этих пластин на процесс теплопередачи в промышленных аппаратах при многопакетной компоновке пренебрежимо мало.

В практике проектирования пластинчатых теплообменников схему  компоновки пластин удобно условно  обозначать дробью. В числителе дроби — сумма цифр, которые показывают количество соединенных пакетов по тракту горячей (охлаждаемой) рабочей среды, а значение каждой из цифр — количество параллельных межпластинных каналов в соответствующем по расположению на схеме (или по ходу движения рабочей среды) пакете. В знаменателе дроби — сумма цифр, обозначающих число пакетов и каналов в них по тракту движения холодной (нагреваемой) рабочей среды.

При описании схем многосекционных пластинчатых аппаратов, предназначенных для выполнения комплекса операций по тепловой обработке жидких пищевых продуктов (например, для пастеризации и охлаждения молока), удобно в числителе формулы компоновки помещать сумму цифр, обозначающих число пакетов по тракту движения продукта, независимо от того, является он нагреваемой или охлаждаемой средой в данной секции.

Рассмотрев принцип устройства пластинчатых теплообменных аппаратов, и выполнив анализ их структуры, можно отметить следующие положительные особенности этого вида технологического оборудования:

1. Параллельное расположение  тонких пластин с малыми зазорами  между ними позволяет увеличить  теплообменную поверхность на  единицу рабочего объема теплообменника (м²/м³) Это приводит к значительному уменьшению габаритных размеров пластинчатого теплообменника в сравнении с размерами всех других типов промышленных теплообменных аппаратов (кроме пластинчато-ребристых). При работе на средах жидкость – жидкость в промышленных условиях пластинчатые теплообменники имеют наименьшие габаритные размеры при равной тепловой производительности, в сравнении с любыми другими типами промышленных жидкостных теплообменников.

2. Для разборки и чистки  поверхностей теплообмена разборного  пластинчатого теплообменника не требуются дополнительные производственные площади. При разборке теплообменника (рис.1) отвинчивают зажимной винт 10, отодвигают на верхней штанге 7 подвижную нажимную плиту 8, перемещают пластины по штангам в пределах образовавшегося свободного пространства, осматривают, чистят и моют, имея возможность, если требуется, отводить нижний конец пластины в сторону.

Принцип устройства пластинчатого  теплообменника дает возможность осуществлять различные схемы компоновки пластин для каждой рабочей среды, изменять (увеличивать или уменьшать) поверхности теплообмена не только проектируемого, ни и уже используемого аппарата, вносить различные корректировки в схему движения потоков, а также сосредотачивать на одной раме несколько теплообменных секций различного назначения для выполнения в одном аппарате всего комплекса операций технологической обработки нескольких рабочих сред при различных температурных режимах.

Возможность перестраивать  теплообменный аппарат особенно важна на современных предприятиях, в которых приспособляемость  к быстро изменяющимся условиям производства является очень важным достоинством.

Компоновочные возможности  пластинчатых аппаратов позволяют  конструктору создавать любые сечения  параллельных и последовательных ходов (а, следовательно, оптимальные скорости рабочих сред при заданных расходах), подбирать в каждом отдельном случае оптимальные условия для теплообмена с учетом полного использования располагаемого напора.

3. Пластинчатые теплообменные  аппараты различной производительности и назначения можно создать из одних и тех же узлов и деталей и, в частности, из одинаковых пластин. Технология изготовления теплообменпых аппаратов широкого размерного ряда поверхностей и их основных элементов (рабочих пластин) основана на холодной штамповке тонких металлических листов, что создает надежные предпосылки для массового экономичного изготовления их при наименьшей затрате труда и материалов.

Коэффициент унификации деталей  и узлов размерного ряда теплообменников пластинчатого типа наиболее высок по сравнению со всеми другими конструкциями теплообменных аппаратов (0,87 – 0,92).

4. При изготовлении поверхностей  теплообмена методом холодной  штамповки на поверхности пластин  легко создавать различные конструктивные элементы, турбулизирующие поток рабочей среды при ее движении в межпластинном канале с целью повышения интенсивности теплоотдачи. Эти элементы профиля, возмущающие поток (различные выступы, гофры и углубления), создают высокую жесткость пластин в собранном пакете, а в разборных конструкциях легко доступны для чистки и мойки.

Наличие возмущающих элементов  в межпластинных каналах позволило получить в серийно выпускаемых отечественной промышленностью теплообменниках при работе на воде и водных растворах солей коэффициенты теплопередачи 3500 ÷ 4100 Вт/(м²·К), что в 2 ÷ 3 раза превышает соответствующие показатели для кожухотрубчатых и других типов теплообменных аппаратов. Приведенные показатели интенсивности теплопередачи в пластинчатых аппаратах не являются пределом.

Исследования показывают, что имеются вполне реальные и  не противоречащие условиям практики возможности дальнейшего повышения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. Теплообмен между рабочими средами происходит в тонких слоях при турбулентном их движении; при этом температурный напор может быть очень малым (2÷3°), что предотвращает пригорание и коагуляцию продукта.

5. В пластинчатых теплообменниках  успешно подвергаются тепловой обработке различные рабочие среды, начиная от газов, паров и до высоковязких и неньютоновских жидкостей, а также эмульсий и суспензий. Мировой опыт применения пластинчатых аппаратов для различных целей показывает, что они в этом отношении являются лучшими как по эффективности теплообмена, так и по условиям эксплуатации.

6. Пластинчатые теплообменники  соответствуют современным средствам автоматизации контроля и регулирования технологических процессов.

Наряду с большими достоинствами  следует отметить и трудности  в эксплуатации пластинчатых теплообменников.

Особенности конструкции  пластины в целом обычно определяет следующее:

а) конструкция  гофр или профиль рабочей теплообменной  стенки;

б) форма угловых отверстий для подвода и отвода рабочих сред и устройства для снижения гидравлического сопротивления участков входа и выхода;

в) уплотнительная система;

г) система подвески пластин на рамс аппарата и фиксации положения пластин в пакете;

д) устройство для безопасного обслуживания пакета пластин при аварийном нарушении герметичности прокладок;

е) устройство вспомогательных  конструктивных элементов пластины, повышающих жесткость собранной системы, способствующих технологичности изготовления, создающих удобства обслуживания и ремонта и т. д.

Практически эти  элементы не всегда удается рационально  совместить в одной детали.

В таблице 1 и  на рисунке 8 приводятся характеристики пластин сетчато-поточного типа с гофрами треугольной формы в «елочку». Они как наиболее эффективные, широко применяются в большинстве конструкций отечественных пластинчатых теплообменников для химических и смежных с ним производств.

5. Расчет 5. Расчет пластинчатого теплообменника.

Производится проектный  расчет пластинчатого теплообменника для охлаждения молока холодной водой.

Исходные данные:

Массовый расход  молока:

Объемный расход молока: м³ ,

Начальная температура  молока :

Конечная температура  молока:

Начальная температура охлаждающей воды:

Конечная температура  охлаждающей воды:

Рабочее давление в аппарате:

Располагаемый напор  на стороне молока:

Располагаемый напор  на стороне воды:

Удельная теплоемкость 

Теплофизические свойства молока при средней температуре:

Плотность:

Коэффициент теплопроводности: 

Кинематическая вязкость: м²/с

Теплофизические свойства воды при средней температуре:

Плотность

Удельная теплоемкость:

Коэффициент теплопроводности .

Кинематическая  вязкость : м²/с.

Аппарат проектируем на базе пластин «ПР-0,5Е» из стали Х18Н10Т  с гофрами в «елочку» и следующими техническими данными:

• поверхность теплопередачи одной пластины ;

• эквивалентный диаметр межпластинчатого канала ;
• площадь поперечного сечения одного канала ;
• длина канала (приведенная) ;
• диаметр углового отверстия ;
• толщина пластины ;
• коэффициент теплопроводности материала .

5.1. Тепловой  расчет

1. Определим количество тепла, передаваемого в единицу времени:

2. Находим расход охлаждающей воды:

массовый:

объемный:

3.Вычисляем средний температурный напор:

Схема потоков: