Фгбоу во новосибирский гау инженерный институт кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
1. Расчет трубчатых теплообменников В теплообменниках жесткого типа возникают температурные напряжения в корпусе ив трубках из-за разности температур их стенок. Это может нарушить плотность в местах развальцовки трубок и привести к проникновению продукта из межтрубного пространства в трубное (и наоборот. Такие теплообменники рекомендуется применять в тех случаях, когда разность между температурами теплоносителей не превышает Си когда по технологическим условиям не требуется чистить наружную поверхность трубок. Теплообменники жесткого типа просты по устройству, несложны в изготовлении и потому дешевле теплообменников нежесткого и полужесткого типов этими объясняется их широкое распространение. Расчет основных конструктивных параметров теплообменного аппарата осуществляется после теплового расчета и поэтому конструктору известны следующие показатели конструируемого изделия площадь поверхности теплообмена, пропускная способность (производительность, скорость движения продукта, размеры труб, все теплофизические константы участвующих в теплообмене элементов, коэффициенты и другие параметры, характеризующие данный тепловой процесс. Длина пучка труб для осуществления теплообменного процесса может быть представлена зависимостью в /d ρ )v, где F– площадь поверхности теплообмена, м V – пропускная способность пучка труб, мс в и d ρ – соответственно внутренний и расчетный диаметры трубы, м v – скорость движения продукта в трубах пучкам с. Число ходов в аппарате j=L'/L, где L – выбранная длина аппаратам. За расчетный диаметр принимают внутренний или наружный диаметр трубы в зависимости оттого, по какой ее стороне коэффициент теплоотдачи меньше. При примерно равных условиях за расчетный принимают средний диаметр трубы. Трубы в трубной решетке размещают тремя способами по сторонам правильных шести- Рис. 1. Схема расположения труб по вершинам равносторонних треугольников 77 угольников, по сторонам квадратов и по концентрическим окружностям рис. 1). Для получения компактного теплообменника с наименьшим размером в поперечном сечении расстояние между осями труб (шаг расположения труб) принимают минимальным. Его значение зависит от способа крепления труб в решетке, самым распространенным из которых является способ развальцовки. Пайка и заливка концов труб мягким припоем применяется для медных труб. В случае вальцованных соединений с наружным диаметром труб более 19 мм минимальный шаг расположения труб получают по условию l min = (l,25...1,35)d н Причем ширина простенка (мм) должна быть, в свою очередь, связана условием п = (н) ≥ 6, где н наружный диаметр трубы, мм l– принятый шаг расположения труб, мм. Большее значение шага выбирают для труб меньшего диаметра. Внутренний диаметр корпуса аппарата при расположении труб по сторонам правильных шестиугольников определяют по выражению в = дн+ н, где д – число труб, расположенных по диагоналям наибольшего шестиугольника. Зная количество труб, расположенных на стороне наибольшего шестиугольника п с ,определяют количество труб, расположенных на его диагонали, а именно д = пс- 1. п = д - 1) + 1 = 3n с (n с - 1) + 1. Когда общее количество труб в аппарате превышает число 127, появляется возможность размещения дополнительного числа труб на шести сегментных площадках. Это количество труб составляет 10-18% от числа труб, размещенных в пределах наибольшего шестиугольника. В многоходовых аппаратах необходимо предусмотреть распределение труб походами устройство соответствующих перегородок в камерах. При этом общее количество труб в пределах данного диаметра трубной решетки уменьшится, так как часть плиты окажется занятой перегородками. Чаще всего применяются хордовые (параллельные) и радиальные перегородки При размещении труб по концентрическим окружностям коэффициент заполнения трубной решетки необходимо уменьшить на 5- 10%, а при размещении по сторонам квадратов – на 15%. При конструировании многоходовых аппаратов необходимо вычертить трубную решетку в масштабе, нанести расположение перегородок в каждой камере, уточнить расположение труби конструктивно определить окончательные размеры аппарата. На чертеже нужно указать 78 общее количество труб, диаметр труб, длину аппарата и другие размеры. Толщина трубной решетки может быть определена также, как и толщина плоского днища, нос учетом ослабления ее отверстиями и 0 2 в в d n D K h где K – коэффициент закрепления (K = 0,162); р – перепад давлений по сторонам трубной решетки, Паи допускаемое напряжение при изгибе, Пан коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями. 2. Расчет выпарных аппаратов В перерабатывающих производствах выпарные аппараты применяются для сгущения полуфабрикатов и пищевых продуктов. Выпарные станции предназначены в свеклосахарной промышленности – для уваривания сахарного сока на сироп в крахмалопаточной – для выпаривания кукурузного экстракта, паточных и глюкозных соков и сиропов в молочной – для сгущения молока, сыворотки, сливок в кондитерской и консервной – для получения концентрированных фруктовых и ягодных соков, повидла, начинки для карамели и других продуктов. В спиртовой промышленности выпарные установки служат для упаривания барды. На некоторых производствах выпаривание осуществляется в две стадии. На первой стадии раствор уваривается до определенного содержания сухих веществ после этого он подвергается химической и механической обработке, а затем – окончательному увариванию. Первая стадия выпаривания осуществляется в многокорпусной выпарной станции непрерывного действия. Такие аппараты часто называют выпарными аппаратами, или испарителями, в отличие от вакуум-аппаратов, которые предназначены для окончательного уваривания продукта. Вместе с этим не следует делать вывод о том, что выпарные аппараты работают только при атмосферном или избыточном давлении. Корпусы выпарки часто работают при тех же давлениях, что и вакуум-аппараты. Конструкция аппарата должна удовлетворять технологическим требованиям производства, быть простой и удобной в эксплуатации, обладать надежностью в работе, иметь достаточную высоту и объем вакуумного пространства. Большинство конструкций выпарных аппаратов состоят из таких же узлов и деталей, что ив кожухотрубных теплообменниках, поэтому такие детали, как трубные решетки, сферические и плоские днища, крышки, опорные лапы, рассчитывают также, как для теплообменников. Особенностью вакуум-аппаратов является их работа под избыточным наружным давлением, поэтому цилиндрическая форма корпуса в таких аппаратах является неустойчивой. Следовательно, толщину стенки корпуса нужно рассчитывать не только на прочность при сжатии, но и на устойчивость против деформации цилиндрической формы 79 стенки. Устойчивость может снизиться, если наружное избыточное давление превысит критическое, соответствующее данным размерам обечайки. Толщину стенки корпуса выпарного аппарата (см, работающего под наружным давлением, рассчитывают по формуле , 2 , 2 где D – диаметр аппарата, см р – наружное избыточное давление, Пат запас устойчивости, принимается 4-5; Е – модуль упругости материала. Иногда требуются выпарные аппараты с коническими днищами рис. 2). Максимальное напряжение в коническом днище возникает вдоль образующей конуса если днище работает только под давлением пара или газа, то толщину его стенки можно определить по формуле , cos 2 1 C D д в где р – внутреннее избыточное давление в аппарате, Пав внутренний диаметр аппарата, см д допускаемое напряжение на разрыв, Па φ 1 – коэффициент прочности сварного шва вдоль образующей конуса половина центрального угла, град С прибавка на коррозию материала, из которого сделан аппарат, м. Если днище работает под гидростатическим давлением столба жидкости, то расчетная формула принимает вид , cos 2 1 1 C h yD д в где γ – плотность жидкости, кг/м 3 Если днище работает под смешанным давлением, то внутреннее избыточное давление р пара или газа над жидкостью заменяется эквивалентным гидростатическим давлением столба жидкости, высота которого (м) определяется по формуле экв = р. Для определения диаметров паровых патрубков скорость насыщенного пара следует принимать в пределах 25-30 мс, а вторичного пара – 30-35 мс. 80 Рис. 2. Выпарный аппарат с коническим днищем При проектировании выпарных аппаратов нужно учитывать величину свободного объема для вторичного пара, так как она сильно влияет на унос продукта. Величина уноса зависит от интенсивности кипения, высоты уровня продукта в аппарате, свойств увариваемого продукта и объема для вторичного пара. Ее определяют по напряжению парового объема, те. по количеству испарившейся воды зач нам свободного объема для вторичного пара в аппарате. Высоту парового пространства обычно принимают не менее 1,5 м, а при выпаривании пенящихся жидкостей – 2,5-3 м. 3. Расчет цилиндрических корпусов вертикальных аппаратов и обечаек В перерабатывающей промышленности, также как ив химической, широко применяют емкостные и тепловые аппараты с цилиндрическими корпусами. К ним относятся различные резервуары, емкости и сосуды, предназначенные для хранения пищевых жидкостей и проведения технологических процессов при внутреннем избыточном давлении, например для отстаивания, брожения и др. К таким аппаратам можно отнести танки для хранения молока, бродильные чаны, заквасочники, дозаторы и др. Особенностью многих аппаратов этой группы является то, что усилия, действующие на стенки сосуда, обусловлены, главным образом, 81 гидростатическим давлением жидкости и, следовательно, зависят от напора. Если давление в какой-либо точке на внутренней поверхности сосуда превышает 0,07 МПа без учета гидростатического давления, то при проектировании сосудов необходимо выполнять ряд требований, предусмотренных нормами Госгортехнадзора. Цилиндрические аппараты могут иметь вертикальное и горизонтальное исполнения. Предпочтения необходимо отдать вертикальным аппаратам, так как в них исключены дополнительные напряжения при изгибе, возникающие в корпусе при действии силы тяжести аппарата и находящейся в нем среды. При давлении в аппарате менее 10 МПа цилиндрические обечайки выполняют из пластичных материалов, в основном из листов методом вальцовки с последующим соединением стыков преимущественно сваркой. Присоединении стыков из медных и латунных листов применяют также и пайку. После соединения стыка цилиндрические обечайки подвергают технологической пайке (калибровке. Лекция 9 82 РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ И УПАКОВКИ ПРОДУКЦИИ Барабанные дозаторы рис. 1) применяют двух типов с цилиндрическими или гранеными барабанами и секторные (ячейковые или лопастные. Цилиндрические, гладкие и мелкорифленые барабаны используют для порошковых и мелкозернистых материалов. а б в Рис. 1. Барабанные дозаторы а – цилиндрический б граненый в – ячейковый г – лопастной Окружная скорость v барабанов составляет 0,025-1 мс. Такие дозаторы обычно устанавливают под бункерами. Производительность барабанного дозатора, кг/с: Q = в, где F – площадь поперечного сечения одного кармана (желоба, ячейки и т.д., в дальнейшем можно называть желобом, м l – длина рабочей части желобам число желобов на барабане в – частота вращения барабана, с ρ – плотность материала, кг/м 3 ; φ – коэффициент заполнения желобов, φ = = 0,8-0,9. Для цилиндрического барабана Q = в где D – диаметр барабанам толщина слоя материала, захватываемого барабаном, м. Частота вращения барабана, с , 360 в б n n где α – угол поворота барабана за один оборот приводного вала, град в – частота вращения приводного вала, с -1 Если α = 360°, то п б = п в ; если α < 360°, то п б < п в Мощность, требуемая на привод барабана, Вт N =Pvk 1 k 2 , где Р – сила для преодоления сопротивления вращению барабана. Тарельчатые (дисковые) дозаторы (микродозаторы) применяются 83 при дозировании сухих сыпучих добавок. Материал из бункера поступает на вращающийся диск, с которого сталкивается скребком. Толщина слоя на диске регулируется манжетой, ограничивающей выход материала на диск. За каждый оборот диска с него снимается порция материала, расположенная на диске в виде кольца треугольного сечения. Производительность дозатора, кг/с: Q = V 0 ρn, где V 0 – объем материала, снимаемого за один оборот тарелки (дискам п – частота вращения тарелки, с -1 Максимальный объем материала, снимаемого за один оборот, м V 0 = где R 0 – расстояние между центром тяжести радиального сечения кольца и осью вращениям площадь поперечного сечения кольцевого слоям где R – радиус манжеты, м h – высота подъема манжеты над тарелкой, м φ – угол естественного откоса материала в движении, град. F 0 = h 2 / 2 tg φ c . Предельная частота вращения тарелки определяется из условия, при котором центробежная сила, действующая на частицы материала, меньше силы их трения о диск, те где m – масса частиц, кг ω – угловая скорость вращения диска, с R 1 – наибольший радиус вращения частиц, м f – коэффициент трения частиц о тарелку. Учитывая, что π 2 ≈ g, можно записать / 30 30 Для определения мощности, потребной для привода тарельчатого дозатора, необходимо учитывать сопротивление от трения продукта о поверхность тарелки и скребка дробления продукта скребком скручивания столба продукта, опускающегося из воронки дозатора. Для тарельчатого дозатора приближенно мощность привода, Вт N = N 1 / η(l + f 2 cos β)k, где N 1 – мощность, потребная для преодоления сил сопротивления от трения материала о тарелку, Вт N 1 = м, где м – скорость материала, сбрасываемого с дискам с Р сила трения, Н β – угол установки скребка относительно плоскости сечения кольца материала f 2 – коэффициент трения материала о скребок η – КПД приводного механизма дозатора k – коэффициент, учитывающий 84 другие вредные сопротивления (k = 1,5-2). Сила трения, возникающая при движении материала по тарелке P = F 0 Lρgf 1 , где L – путь перемещения материалам коэффициент трения материала о диск. Скорость движения материалам. Шнековые дозаторы рис. 2) применяют для подачи зернистых, мелкокусковых и порошкообразных материалов в тех случаях, когда возможное измельчение отдельных частиц не имеет значения. Производительность регулируют главным образом изменением частоты вращения шнека. Такие дозаторы можно устанавливать горизонтально, наклонно и вертикально. Производительность шнекового дозатора при непрерывном вращении вала, кг/ч: Q = 47D 2 tknρ, где D – диаметр шнекам шаг шнекам коэффициент заполнения k = 0,8...1,0; n частота вращения вала шнека (для легкосыпучих материалов n = 0,66...1,3 с, для трудносыпучих – пс. Во избежание забивания шнека при работе с кусковым материалом рекомендуется выдерживать соотношение) к, где к – максимальный размер куска. Потребная мощность двигателя, кВт , ) ( 10 367 1 2 где η – КПД привода L 2 – горизонтальная проекция пути перемещениям Н – высота подъема продуктам коэффициент сопротивления перемещению материала (для муки w = l,2; поваренной соли и соды – w =2,5; порошковой и кусковой извести – w = 4); k 1 – коэффициент, учитывающий потери на трение в подшипниках (k 1 = 1,1...1,2). Основным рабочим органом вибрационных дозаторов является опорный или подвесной лоток 3 рис. 3), получающий колебания от приводного механизма. В качестве последнего может быть применен эксцентриковый колебатель 1-2 рис. 3а)или вибродвигатель 4 рис. б. Рис. 2. Горизонтальный шнековый дозатор 1 – приемное устройство 2 – корпус 3 – шнек 4 – вал 85 Рис. 3. Вибрационные дозаторы, получающие колебания а – от эксцентрикового шатунного механизма бот вибродвигателя Вибрационные дозаторы могут подавать различные материалы. Число колебаний лотка рекомендуется до 3000 в минуту, а амплитуда колебаний до 4 мм. При этом наблюдается кратковременный отрыв материала от дна лотка, ив течение некоторого промежутка времени материал находится в состоянии свободного полета. Это уменьшает длительность контакта груза с лотком и снижает износ последнего. Производительность вибрационного дозатора, т/ч: Q = 3600Bhvρφ, где В – ширина лоткам высота слоя материала в лотке, м v – средняя скорость перемещения материалам с φ – коэффициент заполнения, для открытых лотков φ = 0,6...0,8. При частоте колебаний больше 28 с средняя скорость перемещения материала по лотку v = kaω cos β, где k – поправочный коэффициент. На практике скорость подачи материала вибрационным дозатором обычно составляет 0,1-0,3 мс. Мощность приводного двигателя в вибрационных дозаторах расходуется на преодоление сил сопротивления перемещению насыпанного продукта по лотку и на потери, связанные с приведением массы дозатора в колебательное движение, кВт , 367 10 4 3 5 3 где k ’ – коэффициент, зависящий от точности настройки упругой системы дозатора, k ’ = 0,04...0,16; п – число колебаний в минуту G k – масса качающихся частей дозатора з – коэффициент сопротивления, з = 0,25...0,35; L – длина лоткам. Ленточные дозаторы рис. 4) применяются для подачи и дозирования сыпучих, плохосыпучих, а также влажных слеживающихся материалов. Они могут устанавливаться горизонтально или наклонно. Рис. 4. Ленточный дозатор 1 – заслонка 2 – лента транспортера Верхняя ветвь ленты лежит на опорных роликах или скользит по неподвижному металлическому настилу. Вдоль ленты устанавливаются борта, создающие желоб. Бункер устроен так, чтобы на ленту непосредственно не передавалось давление материала. Слой материала на ленте по высоте регулируется заслонкой. Рекомендуемая скорость ленты составляет мс. Производительность ленточного дозатора, кг/ч: Q = 3600Fvρk, где F= bh – площадь поперечного сечения слоя материалам ширина ленты, м h – толщина слоя материала на ленте, м v – скорость ленты, мс k – коэффициент заполнения желоба, k = 0,75...0,8. Потребная мощность на ведущем барабане, кВт N' = N 1 + N 2 , где N 1 – затраты мощности на подачу материала, кВт N 2 – затраты мощности на преодоление трения материала о стенки желоба, кВт. , ) 2 , 0 ( 10 367 1 3 где L – длина дозатора между осями барабанов, м Н – высота подъема продукта (для наклонных дозаторов, м k 1 – коэффициент, учитывающий сопротивление барабанов, перегиб ленты и т. п k 1 = 1,2. N 2 = PV = п, где Р – тяговое усилие для преодоления сопротивления трению, Н l – длина бортов, м f – коэффициент трения материала о борта п коэффициент подвижности материала (из справочных данных. Тяговое усилие P = п, где п = п – нормальное давление на борта, Па. Установленная мощность электродвигателя т, где η – КПД привода т коэффициент, учитывающий потери на трение, т. |