Расчет пластинчатого теплообменника

4. Определяем рациональную скорость движения молока в каналах теплообменника.

Для ориентировочного расчета скорости принимаем:

 

Тогда

2

=0,29 м/с.

где

- коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины извилистого щелевидного канала, безразмерный.

5. Критерий Рейнольдса для потока молока:

6. Проверяем принятое значение коэффициента общего гидравлического сопротивления:

,

Это близко к принятому  .

 

7. Вычисляем критерий Прандтля и при средней температуре молока и при температуре стенки:

.

При 

физические свойства молока характеризуются:

Плотность =1030,8 ,

Удельная теплоемкость 3,9 ,

Коэффициент теплопроводности 0,476 ,

Кинематическая вязкость 2,04^.10^-6 ,

Получаем  :

.

8. Вычисляем критерий Нуссельта со стороны охлаждаемого молока  

.

 
9. Находим коэффициент теплоотдачи от молока к стенке по полученному значению :

.

10. Определяем аналогично рациональную скорость движения воды в каналах теплообменника.

Для ориентировочного расчета  скорости принимаем:

тогда

11. Критерий Рейнольдса для потока воды:

.

12. Проверим принятое значение коэффициента общего гидравлического сопротивления со стороны воды:

,

что близко принятому.

13. Критерий Прандтля и для воды  равны:

При 12

при .

14. Вычисляем критерий Нуссельта для воды

.

15. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде составит:

. 
.

 

16. Определяем термическое сопротивление стенки пластины и загрязнений на ней.

а) термическое сопротивление загрязнений на стенке со стороны молока находится ориентировочно:  

б) термическое сопротивление стенки из стали марки Х18Н10Т при ее толщине δ = 1 мм:  

_{в) термическое сопротивление загрязнений на стенке со стороны воды находится ориентировочно:}

= 190,8 .

18. Определяем общую поверхность теплопередачи аппарата:

,

Принимаем ближайшую  стандартную поверхность 

5.2. Компоновочный  расчет и уточнение величины  рабочей поверхности

1. Площади поперечных сечений пакетов составят:

а) со стороны молока:

м².

а) со стороны воды:

.

2. Число каналов в одном пакете:

а) для молока       

принимаем ^₁₀

б) для воды:

,

принимаем ^₁₅.

3. Число пластин в одном пакете:

а) для молока ^₂₀;

б) для воды ^₃₀.

4. Определяем поверхность теплообмена одного пакета при полученном числе пластин:

а) для молока 0,25^.20= 5 м²,

б) для воды  0,25^.30=7,5 м².

5. Число пакетов в аппарате:

а) по стороне молока:

принимаем ^₁;

б) по стороне воды:

,

принимаем ^₁.

6. Схема компоновки пластин в аппарате может быть принята такой

 

7. Фактическая площадь поперечного сечения каналов в пакетах для обеих сред составит:

25 .

8. Фактическая скорость движения молока и воды в каналах после уточнения:

,

.

Как видим, по конструктивным соображениям пришлось увеличить число  каналов в каждом пакете аппарата со стороны молока до m =10 , что привело  к уменьшению скорости потока молока на 37% против ее рационального значения.

Можно ожидать, что потребный  напор для прокачивания молока через аппарат будет несколько меньше располагаемого.

Проверим, достаточно ли выбранной поверхности теплопередачи  при фактических скоростях рабочих  сред.

9. Критерий Рейнольдса при новых значениях скоростей:

10. Критерий Нуссельта:

.

 

11. Определим уточненные значения коэффициентов теплоотдачи:

.

 

.

12. Подсчитаем фактический коэффициент теплопередачи:

=

13. Поверхность теплопередачи после уточнения составит:

,

Выбранная по ГОСТу 15518-70 поверхность достаточна для заданных условий.

5.3. Гидромеханический расчет

Из предыдущих разделов расчета фактические скорости движения молока и воды в каналах теплообменника

• 0,11
• 0,17

126,4

259,5.

1. Вычисляем коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала для обеих сред:

.

2. Гидравлические сопротивления пакетов пластин при этом:

6,7

3. Проверяем скорости движения молока и воды в штуцерах при площади проходного сечения штуцера при и

,

.

4. Общее гидравлическое сопротивление теплообменника составит:

а) для тракта движения молока ;

б) для тракта движения воды

5. Сопоставим заданные располагаемые напоры с расчетными гидравлическими сопротивлениями. При этом должно соблюдаться условие:

.

 

Для тракта движения молока получим  =

Аналогично для тракта движения воды = .

Как видим, действительные гидравлические сопротивления находятся в пределах располагаемых значений.

 

6. Подсчитаем мощность, необходимую на преодоление гидравлических сопротивлений при прокачивании молока и воды через теплообменник:

,

где

и – коэффициенты полезного действия насосов выбраны по каталогу-справочнику «Насосы» в соответствии с расходами сред:

Насос ИПКС-017-ОНИ-2,0/20, .

Насос К50-32-125 (К3/18), .

 

 

5.4. Расчет габаритных  размеров теплообменника

Количество пластин N=50,

Толщина одной пластины ,

Количество прокладок  между пластинами n=49,

Толщина одной прокладки  =4мм,

Толщина одной плиты  =35мм,

Высота пластины h =1380 мм,

Выступ плиты  h =5мм,                  

Ширина пластины В = 500мм,

Ширина плиты В =510 мм,

Высота подставки  h =200 мм,

Ширина подставки  В =530мм,

Рассчитываем длину  охладителя l :

l = N^. +n^. +2 =50^.1+49^.4+2^.35=320мм=0,32 м,

Длина охладителя на подставке l будет равна:

l=N^. +n^. +2 +200мм=50^.1+49^.4+2^.35+200=520 мм=0,52 м ,

Ширина установки будет  равна:

В= В +2^.10 мм=510+2^.10 мм=530 мм=0,53 м,

Общая высота охладительной  установки H будет равна:

Н= h + h + h =1380+5+200=1585мм=1,585 м,

Занимаемая площадь S будет равна:

S=l*B=0,52 ^.0,53=0.28 м _.

 

6. Монтаж оборудования

Автоматизированные пластинчатые пастеризационно-охладительные установки  размещают в молочных и доильно-молочных блоках животноводческих ферм в соответствии с монтажной схемой завода-изготовителя. Монтаж начинают с установки на бетонные фундаменты сепараторов-молокоочистителей, окончательно затягивают фундаментные болты после монтажа молочных трубопроводов, соединяющих эти сепараторы-молокоочистители с пластинчатым теплообменным аппаратом и другим основным и вспомогательным оборудованием.

Уравнительный бак и  молочные насосы устанавливают без  крепления на полу и присоединяют к ним трубопроводы для подвода и отвода молока.

Перед монтажом пластинчатого  теплообменного аппарата проверяют  его комплектность и состояние  резиновых уплотнений теплообменных пластин. После этого вычищенный и промытый теплым содовым раствором пакет теплообменных пластин сдвигают в рабочее положение вручную, а затем сжимают зажимным механизмом до тех пор, пока не будет предотвращена течь. Излишняя затяжка нежелательна, так как сокращает срок работы теплообменных пластин.

После монтажа молочных трубопроводов монтируют трубопроводы для пара, горячей, холодной водопроводной  и ледяной воды (или рассола). Электродвигатели и пусковую электроаппаратуру заземляют по правилам техники безопасности.

После завершения монтажа  испытывают пластинчатый теплообменный аппарат на герметичность на воде, проверяют действие установки, подачу рабочих жидкостей, работу основного и вспомогательного оборудования, приборов автоматики и регулировки.

Прежде чем пустить  пластинчатый теплообменный аппарат  в действие, поджимают теплообменные пластины до риски на зажимном устройстве.

При пуске установки  на холодной воде в начальный момент возможна небольшая течь через уплотнительные прокладки, поэтому нужно прекратить дальнейшее прижатие пластин, так как требуемая герметичность будет достигнута при нагревании теплообменного аппарата. Чтобы предотвратить течь, не следует пускать в работу аппарат на полную производительность, нужно переходить на этот режим после того, как он начнет работать при нормальной температуре.

После прижатия пластин  к аппарату присоединяют по монтажной  схеме молочные, водяные, рассольные и паровые трубопроводы, а затем  производят опрессовку аппарата, прогоняя через него рабочие жидкости, имеющие соответствующие температуры.

Перед пуском установки  в работу на молоке ее стерилизуют  горячей (85°) водой. Циркуляция горячей  воды для полной стерилизации установки  продолжается 20...30 мин. На этот период ослабляют затяжку пластинчатого аппарата до появления признаков течи для того, чтобы избежать увеличения давления на резиновые прокладки теплообменных пластин в условиях повышенной температуры. По завершении стерилизации выключают пар и выпускают из установки горячую воду и конденсат.

После этого установку  пускают в работу на молоке, подавая  его молочным насосом в уравнительный бак с переключением системы на циркуляцию для достижения необходимых температурных режимов, включают автоматику регулирования температуры пастеризации молока и подачи пара в бойлер. По достижении установленной температуры пастеризации поток молока с циркуляции переключают на прямую подачу и включают систему подачи холодной водопроводной и ледяной воды (или рассола).

При этом центробежный молокоочиститель должен работать на номинальной частоте вращения, так как возможен перелив молока из барабана в чашу станины. При наладившемся стационарном режиме работы на пастеризации и последующем охлаждении молока обслуживание установки сводится к общему наблюдению за работой пластинчатого теплообменного аппарата, вспомогательного оборудования и приборов ароматического регулирования.

По условиям теплопередачи для  более интенсивного охлаждения молока можно увеличивать количество расходуемой холодной водопроводной воды в секции водяного охлаждения. Нужно учитывать, что холодная водопроводная вода по выходе из секции обычно сбрасывается в канализацию и, следовательно, увеличение кратности расхода связано с увеличением расхода воды. Обычная кратность расхода холодной водопроводной воды равна 2 ... 3, для установок производительностью 5000 л/ч часовой ее расход составляет 10... 15 , а увеличение кратности расхода воды выше 3 малоэффективно в отношении теплопередачи, потому что средний перепад температур при этом возрастает незначительно. Поэтому без проверки кратности расходов могут быть большие перерасходы холодной водопроводной воды. Разность температур входящей и выходящей водопроводной воды 1...1,5°C говорит о ее большом перерасходе. Нормальная разность температур должна быть 6 ...8°C летом и 4...5°C — зимой.