Розрахунок. 1 Визначення теплових потоків

1 Визначення теплових потоків

Нехтуючи невеликими втратами тепла в навколишнє повітря, знаходимо:

а) тепловий потік через пластини водяної секції:

,

де V – витрата пивного сусла, м³/год;

кДж/год;

б) тепловий потік через пластини розсільної секції

кДж/год.

Числові значення фізичних властивостей сусла, води і розсолу знаходимо в таблицях ІІІ, ІV, X і ХІ додатку [3].

2 Визначення кінцевих температур холодної води і розсолу

Кінцева температура холодної води

º С,

де W – витрата води, кг/год.

Кінцева температура розсолу

º С.

3 Визначення середніх різниць температур теплоносіїв

º С.

º С.

4 Вибір швидкостей потоків рідин у каналах між пластинами

Швидкість руху рідини між пластинами вибирається стосовно до властивостей рідини і умовам технологічного процесу.

На основі практичного досвіду задаємось швидкістю руху сусла між пластинами w _с = 0, 6 м/с. Потім цю швидкість уточнюємо, враховуючи розміри каналів між пластинами.

Для нашого теплообмінника вибираємо пластини типу П-2. Технічну характеристику цих пластин наведено нижче.

Поверхня теплопередачі ……………………………………. 0, 198 м²

Ширина потоку b ……………………………………………. 0, 27 м

Відстань між пластинами h ………………………………… 0, 0028 м

Товщина пластини δ............................................................... 0, 0012 м

Приведена довжина потоку в пластині ……………………. 0, 74 м

По заданим продуктивності апарата і швидкості руху сусла можна знайти кількість паралельних каналів в одному пакеті із умови нерозривності потоку

,

де V – продуктивність, м³/с;

m – число паралельних каналів в одному пакеті.

Звідки

.

Число паралельних каналів не може бути нецілим. Приймаємо, що число каналів, дорівнює 4, та уточнюємо швидкість руху сусла

м/с.

Швидкість води приймаємо для зручності компоновки секції такою ж, як і швидкість сусла; отже при двократній витраті води число пакетів для неї буду вдвічі меншим, ніж для сусла. Враховуючи низьку температуру розсолу і значну в’язкість, швидкість його руху вибираємо в 1, 5 рази меншою, ніж швидкість руху сусла. При двократній витраті розсолу і швидкості його, в 1, 5 рази меншою, число паралельних каналів буде в 3 рази більшим, ніж для сусла.

Швидкість руху розсолу

м/с.

5 Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі

а) Розрахунок критеріїв Прандтля

Секція водяного охолодження

Критерій Прандтля має наступний вираз:

,

де μ – коефіцієнт динамічної в’язкості, Па· с;

с – питома теплоємність, Дж/(кг· К);

λ – питома теплопровідність, Вт/(м· К);

ρ – густина, кг/м³.

Середня температура сусла º С.

Для цієї температури знаходимо за таблицями Х і ХІ додатку [3]:

λ = 0, 581 Вт/(м· К); с = 3, 91 кДж/(кг· К); μ = 1, 058· 10^-3 Па· с; ρ = 1048 кг/м³.

Середня температура води º С.

Для цієї температури знаходимо за таблицею ІІІ [3]:

λ = 0, 618 Вт/(м· К); с = 4, 2 кДж/(кг· К); μ = 0, 801· 10^-3 Па· с; ρ = 995, 6 кг/м³.

Секція розсільного охолодження

Середня температура сусла º С.

За таблицями Х і ХІ додатку [3] для цієї температури знаходимо:

λ = 0, 523 Вт/(м· К); с = 3, 81 кДж/(кг· К); μ = 2, 175· 10^-3 Па· с; ρ = 1045 кг/м³.

Середня температура розсолу º С.

Для цієї температури за таблицею ІV [3] знаходимо:

λ = 0, 538 Вт/(м· К); с = 3, 34 кДж/(кг· К); μ = 3, 046· 10^-3 Па· с; ρ = 1181 кг/м³.

б) Розрахунок критеріїв Рейнольдса

У виразі критерію Рейнольдса, що обчислюється для визначення режиму руху рідини в пластинчастому теплообміннику, потрібно в якості характерного розміру ввести еквівалентний діаметр d_екв, який у загальному випадку розраховується за рівнянням:

,

де S – площа поперечного перерізу потоку;

Π – периметр, змочений рідиною.

Для потоку рідини між пластинами теплообмінника еквівалентний діаметр розраховується за формулою

,

звідки критерій Рейнольдса

.

Критерії Рейнольдса для секції водяного охолодження:

для потоку сусла

;

для потоку води

.

Критерії Рейнольдса для секції розсільного охолодження:

для потоку сусла

;

для потоку розсолу

.

в) Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі

Турбулентний режим руху рідин у каналах пластинчастого теплообмін-ника настає при значно менших швидкостях, ніж в гладких прямолінійних каналах. Цьому сприяє наявність турбулізуючих виступів на поверхні пластин. Звичайно вважають, що турбулентний режим руху в каналах між пластинами теплообмінника настає при числах Рейнольдса 160 – 200. Тому коефіцієнти тепловіддачі можна розраховувати за рівнянням для турбулентного руху. Зокрема, для теплообмінників з типовими пластинами П-2 рекомендується рівняння

,

тут - множник, що враховує напрямок теплового потоку, який з метою спрощення розрахунку можна прийняти рівним 1, 05 при нагріванні та 0, 95 при охолодженні даної рідини.

Коефіцієнти тепловіддачі в секції водяного охолодження:

з боку сусла

;

Вт/(м²∙ К);

з боку води

;

Вт/(м²∙ К).

Коефіцієнти тепловіддачі в секції розсільного охолодження:

з боку сусла

;

Вт/(м²∙ К);

з боку розсолу

;

Вт/(м²∙ К).

г) Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі

Для секції водяного охолодження

Вт/(м²∙ К),

тут δ – товщина пластини, м;

λ _ст – теплопровідність нержавіючої сталі, дорівнює 15, 1 Вт/(м∙ К).

Для секції розсільного охолодження

Вт/(м²∙ К).

6 Розрахунок поверхонь теплопередачі

Для секції водяного охолодження

м².

Для секції розсільного охолодження

м².

7 Розрахунок кількості пластин і пакетів

Секція водяного охолодження

Загальне число пластин .

Число пакетів для сусла .

Так як число пакетів повинно бути цілим, то збільшуємо його до 6. Тоді число пластин буде дорівнювати , а поверхня теплопередачі

м².

При цьому число пакетів для води буде дорівнювати .

Секція розсільного охолодження

Загальне число пластин .

Число пакетів для сусла .

Округляємо це число до 3; тоді число пластин зростає до 24, а поверхня теплопередачі буде дорівнювати

м²

Так як обумовлено, що пакетів для розсолу буде в 3 рази менше, ніж для сусла, то в даному випадку будемо мати всього один розсільний пакет.

Формула компоновки

і

Або

і .

8 Розрахунок гідравлічних опорів

Необхідний напір для подолання гідравлічних опорів у каналі однієї секції теплообмінника визначають за рівнянням

м,

де - число пакетів в секції;

z – число робочих пластин в секції;

m – число каналів в пакеті;

ζ – коефіцієнт опору пакету, складеного з пластин П-2;

,

– критерій Ейлера;

w – швидкість руху рідини, м/с;

Коефіцієнт опору одного пакету секції водяного охолодження дорівнює

.

Втрачений напір в секції водяного охолодження

м.

Коефіцієнт опору пакета секції розсільного охолодження

.

Втрачений напір в секції розсільного охолодження

м.

Сумарні втрати напору при подоланні гідравлічних опорів на всьому шляху руху сусла між пластинами обох секцій теплообмінника

м.

Втрати напору при русі охолоджувальних рідин – води і розсолу – будуть значно менше внаслідок більш короткого шляху руху.