130879

Толщина стекающей пленки:

µ

где ν – кинематическая вязкость ν = ρ .

Критерий Рейнольдса:

Re = 4Г . Линейная массовая плотность орошения:

Г = mн .

П

Смоченный периметр:

П=π·dср·z,

где dср – средний диаметр трубок; z – количество трубок.

2.4 Уточнение температур кипения

Распределяем полную полезную разность температур между корпусами, исходя из условия равенства площадей поверхности теплопередачи для всех корпусов: f1=f2=f3=f4.

Для этого применяем метод приближений. В первом приближении принимаем, что тепловые нагрузки по корпусам одинако-

вы: Q1= Q2=Q3=Q4.

Тогда полные полезные температурные перепады по корпусам составят:

11

Уточняем температуры кипения по корпусам:

tк1= tгп1 – Δtпп1; tк2= tгп2 – Δtпп2; tк3= tгп3 – Δtпп3; tк4= tгп4 – Δtпп4.

2.5 Определение тепловых нагрузок

Составим уравнения тепловых балансов.

Первый корпус:

(D–Е5)·iгп1+mн·Cн·tн=[(mн–W1)·Cк1·tк1+W1·iвт1+(D–Е5)·iконд1]·x,

где D – расход греющего пара, кг/с;

iгп1 – энтальпия греющего пара в первом корпусе, кДж/кг; mн – начальная масса сгущаемого продукта, кг/с;

Cн – начальная теплоемкость сгущаемого продукта, кДж/(кг К); tн – начальная температура сгущаемого продукта, ºС;

Cк1 – теплоемкость сгущаемого продукта после I корпуса, кДж/(кг К);

tк1 – температура кипения сгущаемого продукта в I корпусе, ºС;

W1 – влага, выпаренная в 1-м корпусе, кг/с;

iвт1 – энтальпия вторичного пара после 1-го корпуса, кДж/кг; iконд1 – энтальпия конденсата после 1-го корпуса, кДж/кг;

x =1,02–1,05 – коэффициент, учитывающий теплопотери в окружающую среду.

Е5 – масса экстра-пара, поступающего на обогрев подогревателя V, кг/с.

12

Второй корпус:

(mн–W1)·Cк1·tк1+(W1–E4)·iвт1= =[(mн–W1–W2)·Cк2·tк2+W2·iвт2+(W1–E4)·iконд2]·x,

где E4 – масса экстра-пара, поступающего на обогрев подогревателя IV, кг/с.

W2 – влага, выпаренная во 2-м корпусе, кг/с;

Cк2 – теплоемкость сгущаемого продукта во 2 корпусе, кДж/(кг К); tк2 – температура кипения сгущаемого продукта во 2 корпусе, ºС; iвт2 – энтальпия вторичного пара после 2-го корпуса, кДж/кг; iконд2 – энтальпия конденсата после 2-го корпуса, кДж/кг.

Четвертый корпус:

(mн–W1–W2)·Cк2·tк2+(W2–UD0- Е3)iвт2=((mн–W1–W2– –W4)·Cк4·tк4+W4·iвт4+(W2–UD0–Е3)·iконд4)·x,

где U – коэффициент инжекции; D0 – расход острого пара, кг/с;

Е3 – масса экстра пара, пошедшего на обогрев подогревателя IV, кг/с;

W4 – влага, выпаренная в 4-м корпусе, кг/с;

Cк4 – теплоемкость сгущаемого продукта в 4 корпусе, кДж/кг×К; tк4– температура кипения сгущаемого продукта в 4 корпусе, ºС; iвт4 – энтальпия вторичного пара после 4 корпуса, кДж/кг;

iконд4 – энтальпия конденсата после 4 корпуса, кДж/кг.

Третий корпус:

(mн–W1–W2–W4)·Cк4·tк4+(W4–Е2) iвт4= = [(mн–W)·Cк3·tк3+W3·iвт3+(W4 –Е2 ) iконд3 ]·x,

где W3 – влага, выпаренная в 3-м корпусе;

Cк3 – теплоемкость сгущаемого продукта в 3 корпусе, кДж/(кг К); tк3 – температура кипения сгущаемого продукта в 3 корпусе; iвт3 – энтальпия вторичного пара после 3 корпуса;

iконд3 – энтальпия конденсата после 3 корпуса.

Дополняем систему уравнений уравнением материального баланса:

W=W1+W2+W3+W4.

Количество острого пара D0 получим из уравнения материального баланса инжектора:

D D0 = 1+ u .

13

Коэффициент инжекции определим, используя i–S диаграмму для водяного пара:

h'

u = 0,81 a −1,

ha"

где тепловые перепады:

ha’=i0 – iвт2; ha”=iгп – iвт2.

i, Дж/кг

P0

Pгп

Pвт

S, Дж/кг·К

Решаем систему уравнений и определяем D, W1, W2,W3,W4, D0. Тепловые нагрузки:

1 корпус

2 корпус

4 корпус

3 корпус

Уточняем распределение полной полезной разности температур по корпусам:

14

2.6 Определение поверхностей теплопередачи

Для этого используем основное уравнение теплопередачи: Q=K·f·Δtпп.

Получаем:

f1 = K1 Q1tпп1 ;

f2 = K2 Q2tпп2 ; f3 = K3 Q3tпп3 ;

f4 = K4 Q4tпп4 .

Поверхности теплопередачи по корпусам должны быть равны:

f1 = f2 = f3 = f4 = f. Определяем количество трубок:

Округляем количество трубок в большую сторону до целого числа.

3КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

3.1Расчет трубных решеток и способов размещения и крепления в них теплообменных труб

Толщина трубной решетки должна быть не менее:

hmin=dн/8+C, где dн – наружный диаметр трубки.

15

Толщина трубных решеток подбирается в зависимости от диаметра кожуха и условного давления в аппарате. Трубные решетки привариваются к обечайке или фланцу. Размещение отверстий в трубных решетках производят чаще всего по вершинам равносторонних треугольников со значением шага t в зависимости от dн. Для крепления труб в трубной решетке выбираем сварку.

Определяем шаг между трубками: t=(1,3 – 1,5)dн.

Площадь трубной решетки составит:

Определяем диаметр корпуса:

Dкорп ≈ D′ + (3 ÷ 4) dH .

Диаметр окружности, на которой размещаются крайние трубки:

D′ = S(b −1).

Число трубок по диагонали:

b ≈ 1,16n0 .

Округляем полученное значение до стандартного значения

Dкорп.

t

dн

16

3.2 Расчет цилиндрической обечайки

Обечайки, работающие под наружным давлением в пределах упругости, рассчитывают на устойчивость по формуле [8]:

где E – модуль продольной упругости, МПа;

С – постоянная, учитывающая влияние коррозии, С=1 мм; С1 – дополнительные прибавки, С1=1 мм.

3.3 Расчет диаметров штуцеров, подбор фланцев

Диаметр штуцера определяется в зависимости от объемного расхода V и скорости υ теплоносителя и продукта из уравнения расхода:

где ρ гр.п. – плотность греющего пара, кг/м3. Для вторичного пара:

V= W1/ρ вт.п.,

где ρ вт.п. – плотность вторичного пара, кг/м3.

Для сгущаемого продукта: в начале сгущения:

V=mн/ρн,

17

dпр = π4 Vϑ ,

где ρн – плотность сгущаемого продукта в начале, кг/м3;

в конце сгущения:

V=mк/ρк, dпр = π4 Vϑ .

где ρк – плотность сгущаемого продукта в конце; кг/м3.

Для конденсата:

V=D/ρконд,

где ρконд – плотность конденсата, кг/м3.

По полученным данным подбираем фланцы для кожуха и штуцеров аппарата.

3.4 Опоры аппарата

Тип опор зависит от конструкции и способа установки аппарата. Размеры и форма опор зависят, в основном, от величины и характера нагрузок, от материала из которого сделан аппарат, массы аппарата, а также от расположения аппарата в пространстве.

Поверхность опор, опирающихся на фундамент (площадку), должна быть достаточной для того, чтобы в фундаменте не возникли напряжения выше допустимых, т.е. должно соблюдаться условие:

S=Gmax/[σф];

где Gmax – максимальный вес аппарата; [σф] – допустимое напряжение; Выбираем количество опор – n.

Нагрузка на одну опору составит: G=Gmax/n.

18

Контрольные вопросы:

1.Как создается вакуум в пленочной вакуум-выпарной установке?

2.Как осуществляется нагрев продукта до температуры пастеризации перед сгущением?

3.Для чего калоризаторы второго, третьего и четвертого корпусов ваку- ум-выпарной установки разделены вертикальными перегородками? Покажите по схеме траекторию движения продукта в указанных корпусах (приложение 1).

4.Каким образом удаляется конденсат из калоризаторов и подогревателей вакуум-выпарной установки?

5.Почему частично подсгущенный продукт из второго корпуса пленочной вакуум-выпарной установки направляется в калоризатор четвертого корпуса, а удаляется из аппарата из пароотделителя третьего корпуса?

6.Для чего нужны датчики верхнего и нижнего уровня промежуточной емкости вакуум-выпарной установки?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Буйлова Л.А. Технология сухих молочных продуктов: Учебно-методическое пособие.– Вологда – Молочное: ИЦ ВГМХА, 2007.– 168 с.

2.Сурков В.Д., Липатов Н.Н., Золотин Ю.П. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности.– М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.– С. 257–260, 294–332.

3.Липатов Н.Н., Харитонов В.Д. Сухое молоко.– М.: Пищевая промышленность, 1981.– 264 с.

4.Голубева Л.В. Технология молочных консервов и заменителей цельного молока.– М.: ДеЛи Принт, 2005.– С. 173–176.

5.Красов Б.В. Эксплуатация, ремонт и наладка технологического оборудования молочной промышленности.– М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.– С. 97–106, 109–110.

6.Основные процессы и аппараты химической технологии /под ред. Ю.И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991.– 496 с.

7.Кувшинский М.Н., Соболев А.П. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности».– М.: Высш. школа, 1980.– С. 82.

8.Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевой промышленности.– М.: Агропромиздат, 1987.

9.Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х томах.– М.: Машиностроение, 1982.

10.Гнездилова А.И Тепловой расчет калоризатора вакуум выпарного аппарата: метод. указ.– Вологда – Молочное: ИЦ ВГМХА, 2004.– 22 с.

11.Гнездилова А.И., Кузнецова В.С., Виноградова Ю.В.Конструктивный расчет трубчатых теплообменников.– Вологда – Молочное: ИЦ ВГМХА, 2009.– 47 с.

19

Приложение 1

Схема вакуум-выпарной установки TVR – 4500

20