Расчет пластинчатого теплообенника для подогрева агар-агар перед упариванием

Колено  гладкое 90^° R = 4d - 1:

ξ = 1.

Выход из трубы:

ξ = 1.

∑ ξ = 12 + 1 + 1 = 14.

Полное  гидравлическое сопротивление трубопровода раствора агар-агара:

∆Р_тр² = 0,5* ω_к²*ρ_к*((λ*l/d_э) +∑ ξ) = 0,5*2,3²*974,9*((0,0257*5/0,028) + 14) = 47935 Па. 

4.6 Принимаем геометрическую высоту подъёма раствора агар-агара H_г = 4 м.

Потеря  давления на геометрическую высоту подъёма раствора агар-агара:

∆Р_г = ρ_н*g*H_г = 1017*9,81*4 = 39907 Па.

4.7 Полное гидравлическое сопротивление установки по линии агар-агара:

∆Р_р = ∆Р_т^р + ∆Р_ср^х + ∆Р_тр² + ∆Р_г = 103233 + 168179 + 47935 + 39907 = 359254 Па.

4.8 Объёмная производительность насоса:

V = G/ρ_н = 1,389/1017 = 1,37*10^-3 м³/с

Принимаем центробежный химический насос марки Х 8/30, КПД насоса η = 0,5, с параметрами Q = 8 м³/ч, Н = 30 м в. ст., n = 2900 об/мин.

4.9 Мощность на валу насоса:

N = G*∆Р/( ρ_н*η) = V*∆Р/η = 1,37*10^-3*359254/0,5 = 984 Вт ≈ 1 кВт.

Принимаем электродвигатель типоразмера 4А71В мощностью 1,1 кВт с частотой вращения n = 50с^-1.

4.10 Гидравлическое сопротивление конденсатопровода от бака до теплообменника. Принимаем трубопровод диаметром d 38*3 мм из стальной бесшовной трубы по ГОСТ 8732-87 длиной 5 м.

Внутренний  диаметр d_в = d_н – 2* δ_ст = 38 – 2*3 = 32 мм = 0,032 м.

Эквивалентный диаметр d_э = d_в = 0,032 м.

Плотность конденсата при t_н^к = 133,9^°С:

ρ_п = 931 кг/м³.

Динамический  коэффициент вязкости:

μ_к = 204*10^-6 Па*с = 0,204*10^-3Па*с.

Скорость  потока конденсата:

ω_п^к = G_к/(0,785* d_в²* ρ_к) = 1,58/((0,785*0,032²*931) = 2,1 м/с².

Критерий  Рейнольдса:

Re = ω_н^к*d_э*ρ_п/μ_к = 2,1*0,032*931/0,204*10^-3 = 306682 > 10⁵.

Абсолютная  средняя шероховатость поверхности  трубы для конденсата, работающей периодически:

К = 1 мм.

Относительная шероховатость трубы:

е = К/d_в = 1/32 =0,0313.

Коэффициент трения при:

λ = 1/(0,87ln3,7/е)² = 1/(0,87 ln3,7/0,0313)² = 0,0579.

Сумма местных сопротивлений.

Вентиль проходной Ду 32-3:

ξ = 6*3 = 18.

Колено  гладкое 90^° R = 4d-3:

ξ = 1*3 = 3.

Вход  в трубу ξ = 1.

∑ ξ = 18 + 3 + 1 = 22.

Полное  гидравлическое сопротивление конденсатопровода  от бака до теплообменника:

∆Р_тр^к = 0,5* ω_п²*ρ_п*((λ*l/d_э) +∑ ξ) = 0,5*2,1²*931*((0,0579*5/0,032) + 22) = 63734 Па.

4.11 Гидравлическое сопротивление конденсатопровода до бака охлаждённого конденсата.

Диаметр трубопровода оставляем тот же d 38*3 мм, d_э = d_в = 0,032 м, длина 5 м.

Плотность конденсата при конечной температуре  t_к = 70^°С:

ρ_к = 977,7 кг/м³.

Динамический  коэффициент вязкости:

μ_к = 406*10^-6 Па*с = 0,406*10^-3 Па*с.

Скорость  потока конденсата:

ω_к = G_к/(0,785* d_в²*ρ_к) = 1,58/((0,785*0,032²*977,7) = 2 м/с.

Критерий  Рейнольдса:

Re = ω_к*d_э*ρ_к/μ_к = 2*0,032*977,7/0,406*10^-3 = 154120 > 10⁵.

Коэффициент трения не зависит от критерия Рейнольдса, а только от шероховатости трубы, значит,

λ = 0,0579.

Сумма местных сопротивлений

Вентиль проходной нормальный Ду 32 – 2:

ξ = 6*2 = 12.

Колено  гладкое 90^° R = 4d - 5:

ξ = 1*5 = 5.

∑ ξ = 12 + 5 + 1 = 18.

Полное  гидравлическое сопротивление конденсатопровода  от теплообменника до бака охлаждённого конденсата:

∆Р_тр^к2 = 0,5* ω_к²*ρ_к*((λ*l/d_э) +∑ ξ) = 0,5*2²*977,7*((0,0579*5/0,032) + 18) = 52887 Па.

4.12 Принимаем геометрическую высоту подъёма конденсата Н = 3 м.

Потеря  давления на подъём жидкости:

∆Р_г = ρ_н*g*Н = 931*9,81*3 = 27399 Па.

4.13 Полное гидравлическое сопротивление установки по линии конденсата:

∆Р_р = ∆Р_т^к + ∆Р_ср^к + ∆Р_тр^к2 + ∆Р_г = 114164 + 63734 + 52887 + 27399 = 258184 Па.

4.14 Объёмная производительность насоса:

V = G_к/ρ_к = 1,58/931 = 1,7*10^-3 м³/с. Принимаем центробежный химический насос марки Х 8/30, КПД насоса η = 0,5, с параметрами Q = 8 м³/ч, Н = 30 м в. ст., n = 2900 об/мин.

4.15 Мощность на валу насоса:

N = V_к*∆Р_к/η = 1,7*10^-3*258184/0,5 = 878 Вт.

Принимаем электродвигатель типоразмера 4А71В  мощностью 1,1 кВт с частотой вращения n = 50с^-1. 
 
 
 
 

5. Прочностной расчёт.

5.1 Выбираем конструкционный материал для теплообменника.

Пластины, присоединительные секции принимаем  из высоколегированной стали 12*18 Н10Т.

Прижимную плиту и штанги принимаем из стали  Вст. 3.

5.2 Номинальные  допускаемые напряжения для стали  12*18 Н10Т: 

[σ]^* = 144 мПа.

Для стали  Вст. 3:

[σ]^* = 132 мПа.

Поправочный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности аппарата.

Для стали 12*18 Н10Т (днища плоские приварные):

η = 0,8.

Для стали  Вст. 3 (плоские плиты):

η = 0,8.

Расчётно-допускаемое  напряжение на растяжение для стали 12*18 Н10Т:

[σ] = η*[σ]^* = 0,8*144 = 115 мПа.

Для стали  Вст. 3:

[σ] = η*[σ]^* = 0,8*132 = 105 мПа.

5.3 Расчётное  избыточное давление в теплообменнике  принимаем равное давлению, создаваемого  насосом для подачи раствора  агар-агара:

Р = 359254 Па = 0,36 МПа.

5.4 Толщина стенки прямоугольной  прижимной плиты:

δ₁ = √3Р*L²*Н²/(8[σ_н]*(Н² + L²)) + с, где

L = В  = 0,66 м — длина стенки равна  ширине теплообменника;

Н = Н/3 = 1,375/3 = 0,46 м  расстояние между рёбрами  жёсткости, принимая 2 ребра конструктивно;

[σ_н] = [σ] = 105 мПа — допускаемое напряжение на изгиб для стали Вст. 3;

с = 0,001 м  конструктивная добавка  на коррозию.

δ₁ = √3*0,36*0,66²*0,46²/(8*105*(0,46² + 0,66²) + 0,001 = 0,015 м = 15 мм.

5.5 Расчёт прокладки  на невыдавливание.

Условие невыдавлевания прокладки: сила трения должна быть больше выдавливающей силы.

Сила  трения Т = f*σ_у*F₂, где

f = 0,065 —  коэффициент трения при частой  обработки пластины;

σ_у = 3,5 мПа удельное давление на прокладку из твёрдой резины.

Принимаем ширину прокладки

b_пр = 20 мм = 0,02м.

Толщина прокладки:

δ₂ = n = 0,0037 м, равное расстоянию между пластинами.

Площадь поверхности прокладки:

F₂ = 2*(В + Н)*b_пр = 2*(0,66 + 1,375)*0,02 = 0,08 м².

Т = 0,065*3,5*0,8 = 0,019 мН.

Выдавливающая сила:

Р = р*F₁.

Внутренняя  ширина прокладки:

В_вн = В – 2b_пр = 660 – 2*20 = 620 мм = 0,62 м.

Внутренняя  высота прокладки:

Н_вн = Н – 2b_пр = 1375 – 2*20 = 1335 мм = 1,335 м.

Внутренняя  поверхность прокладки:

F₁ = 2*(В_вн + Н_вн)*δ₂ = 2*(0,62 + 1,335)*0,0037 = 0,0145 м².

 Р  = 0,36*0,0145 = 5,22*10^-3 мН.

Прокладка не выдавливается из секции, так  как Т = 0,019 мН > Р = 5,22*10^-3 мН.

5.6 Расчёт  диаметра резьбы  натяжных штанг.

Усилие, действующее на прижимную плиту:

Q = P* F_п, где F_п — площадь прижимной плиты.

F_п = В*Н = 0,66*1,375 = 0,91 м².

Q = 0,36*0,91 = 0,33 мН.

В аппарате две натяжные штанги Z = 2.

Усилие на одну штангу:

Р_о = К*Q/Z = 1,8*0,33/2 = 0,297 мН, где

К = 1,8  коэффициент затяжки штанги (болта) для мягких прокладок.

Внутренний  диаметр резьбы натяжной штанги:

d_в = 1,13*√ Р_о*[σ] + 0,005 = 1,13*√0,297/105 + 0,005 = 0,065 м = 65 мм.

Принимаем метрическую резьбу М65*1,5с мелким шагом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Расчет тепловой  изоляции

6.1 принимаем  температуру изолированной поверхности  и трубопроводов согласно правил  техники безопасности

t_из = 40^°С.

6.2 Принимаем  теплоизоляционный материал —  минеральная вата.

Коэффициент теплопроводности:

λ _из = 0,058 Вт/м*К.

6.3 Принимаем  температуру окружающего воздуха:

t_в = 20^°С.

6.4 Коэффициент  теплоотдачи от изолированной  поверхности в окружающую среду  конвекцией и излучением:

α = 9,74 + 0,07*(t_из – t_в) = 9,74 + 0,07*(40 – 20) = 11,14 Вт/м²*К.

6.5 Плотность  теплового потока от изолированной  поверхности:

q_из = α*(t_из – t_в) = 11,14*(40 – 20) = 222,8 Вт/м².

6.6 Толщина  изоляции теплообменника и конденсатопровода:

δ₁ = (λ _из/q_из)*(t_н^к – t_из) = (0,058/222,8)*(133,9 – 40) = 0,024 м.

6.7 Толщина  изоляции трубопровода горячего  раствора агар-агара:

Δ₂ = (λ _из/q_из)*(t_к – t_из) = (0,058/222,8)*(79,38 – 40) = 0,01 м. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

<