Современная пищевая промышленность. Характер и условия проведения технологических процессов. Многоходовые кожухотрубчатые теплообменники, страница 3

B_н = 20% при средней t;  = 58,2°С

плотность: ρ₂ = 1063 кг/м³

коэффициент теплопроводности: ƛ₂ = 0,5788Вт/ (м*К)

динамический коэффициент вязкости: μ₂= 0,839 * 10^-3 Па*с

критерий Прандтля: P₂= 5,484

удельная теплоемкость: с₂= 3772 Дж / (кг* К)

2.7. Найдем объемный расход сахарного раствора

V₂ = G₂ /ρ₂

G₂ = 2,2 * 1000 / 3600 (т/ч) = 0,61 кг/с

V₂= 0,61 / 1063 = 0,00057 м³/с

2.8. Расход теплоты на подогрев сахарного раствора с учетом 5% потерь в окружающую среду.

Q = G₂ * c₂ ( −), φ = 1,05

Q = 0,61 * 3772 (98 − 15) * 1,05 = 2300,92 (98−15) * 1,05 = 200525 Вт

2.9. Расход конденсата с учетом 5% тепловых потерь в окружающую среду

G₁ = Q / с₁ (−  )

G₁ = 200525 / 4,212 (108 – 45) = 0,75 кг/с

2.10. Компоновка теплообменника

Диаметр трубок теплообменника принимаем в соответствии с ГОСТ 9929-77 на теплообменные аппараты. Принимаем стальные бесшовные трубы диаметром 25х2 мм

Внутренний диаметр

d_в = d_н− 2δ_ст = 25 − 2*2 = 21 мм = 0,021 м

Расчетный диаметр

d_р= d_н − δ_ст= 25 – 2 = 23 мм = 0,023 м

Предварительно принимаем развитый турбулентный режим движения сахарного раствора в трубах

Критерий РейнольдсаRe> 10000

Принимаем Re₂ = 11000

2.11. Количество трубок в одном ходе

n₁ = 4*G₂ / (π*d_в*μ₂* Re₂)

n₁ = 4*0,75 / (3.14*0,021*0,839*10^-3 *11000) = 4,97≈ 5

Принимаем  предварительно коэффициент теплопередачи от конденсата к сахарному раствору

К = 800 Вт (м² * К)

F = 200525 / 800*18,214 =13 м²

В справочной литературе, стандартный  теплообменник  с числом трубок в одном ходе -5, и поверхностью 13 м²  не существует. Поэтому принимаем элементный теплообменник. Теплообменник типа «труба в трубе», у которого вместо внутренней трубы располагаются 5 трубок

 25х2 мм.

2.12. Схема компоновки теплообменника

2.13. Найдем диаметр окружности

Диаметр окружности D', на котором размещают крайние трубки, может быть определен по формуле:

D' = S (b−1)

гдеb = число трубок по диагонали

b≈ 1,16₀ = 1,16 =2,59

D' = 32,5 (3−1) = 65 мм

По ГОСТу 9930-78 принимаем значениеD_вн = 76 − 2ϭ = 70= 0,07 м

D_вн= 0,07 м

Принимаем внутренний диаметр корпуса теплообменника, наиболее близкий к стандартному диаметру

D_в = 76

На основании выполненной компоновки  теплообменника принимаем для дальнейших расчетов элементного теплообменника, число труб  в одном ходе ( в 1-м элементе аппарата), n₁ = 5, внутренний диаметр корпуса D_в = 76= 0,076 м

2.14. Найдем скорость сахарного раствора в трубах

ω₂ = G₂/ (0,785  * n₁ * ρ₂)

ω₂ = 0,61/ (0,785 * 0,021² * 5 * 1063) =0,331 м /с

2.15. Критерий Рейнольдса для сахарного раствора

Re₂  =ω₂ * d_в * ρ₂  / μ₂

Re₂ = 0,331 * 0,021 * 1063 / 0,839 * 10^-3 = 8806

Режим переходный

2.16. Так как режим переходный (Re =8806), то критерий Нуссельта рассчитывается по формуле:

Nu_c= 0,008 * Re^0,8 * Pr^0,43

где, Pr = 2,35

Nu_c= 0,008 * 8806 * 2,35^0,43 = 101,6

2.17. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к сахарному раствору

α₂ = (Nu₂ * λ₂) / d_в

α₂ = ( 101,6 * 0,5788) / 0,021 =2800 Вт / ( м²* К)

2.18. Проходное сечение межтрубного пространства

S = 0,785 (0,07²– 5* 0,025²) = 1,39* 10^-3 м²

2.19. Эквивалентный диаметр межтрубного пространства

d_э = ( – n₀ * ) / (D_в+ n₀ * d_н)

d_э = (0,07² – 5 * 0,025²) / (0,07 + 5 * 0,025) = 0,0091 м

2.20 Скорость конденсата в межтрубном пространстве

ω₁ = G₁ / (S * ρ₁)

ω₁ = 0,75 / (1,39*10^-3 * 974,8) =0,553 м /с

2.21. Критерий Рейнольдса для конденсата

Re₁ = ω₁ * d_э * ρ₁ / μ₁

Re₁ = 0,553 * 0,0091 * 974,8 / 375,3 * 10^-6 = 13056> 2320

Режим турбулентный

2.22. Расчетная формула для шахматных пучков

Nu₁ = 0,4ξ_φ *  *  (Pr / Pr_ст )^0,25

Поправочный коэффициент на обтекание сегментных перегородок, поддерживающих трубы

ξ_φ = 0,6

Принимаем для охлаждающегося конденсата отношение ( Pr/ Pr_ст)^0,25 = 0,95

С последующей проверкой

Nu₁ = 0,4 * 0,6 * 13056 * 2,35^0,36 * 0,95 =0,4 * 0,6 * 294,78 *1,36 *0,95 = 91,4

2.23. Критерий Прандтля

Pr = C *μ/ λ = 4212 * 0,839 * 10^-3 / 0,5788 = 6,11

2.24. Теплоотдача при развитом турбулентном течении

Критерий Нуссельта

Nu = 0,021 Re^0,8 * Pr^0,43 ( Pr / Pr_ст)^0,25

Принимаем значение  для сахарного раствора

(Pr/ Pr_ст)^0,25 = 1

Nu = 0,021 * 13056^0,8 * 6,11^0,43 * 1 = 90,1

Коэффициент теплоотдачи от стенки к сахарному раствору

α_р = Nu * λ/d_в = 90,1 * 0,671 / 0,021 = 2879 Вт / (м² * к)