Сусловарочный аппарат
2. Расчёт площади поверхности теплопередачи
При расчёте площади поверхности теплопередачи сусловарочного аппарата определяют тепловой поток при наибольшей тепловой нагрузке, которая наблюдается в период выпаривания воды [4]. В этом случае необходимое количество теплоты Q (кДж) определяется по формуле:
"right">, (2.1)где Wвып - количество выпариваемой воды, кг;
- удельная теплота парообразования, кДж/кг; =2248 кДж/кг
Количество воды, выпариваемой из сусла за время кипячения:
"right"> кг (2.2)где Вн- начальное содержание сухих веществ, % масс.;
Вк- конечное содержание сухих веществ, % масс..
Тогда по формуле (2.1) количество теплоты Qвып , необходимое для выпаривания 2074,07кг воды равно:
Необходимая площадь поверхности теплопередачи сусловарочного котла (м2) в зависимости от продолжительности процесса выпаривания (ч) определяют по формуле:
"right">, (2.3)где Ксусла- коэффициент теплопередачи при кипячении сусла, кВт/(м2·К);
Дtср - полезная разность температур при выпаривании, оС;
фц - продолжительность процесса выпаривания, ч, фвып =1,5 ч.
Давление насыщенного пара, применяемого для кипячения сусла:
"right"> (2.4)При данном давлении температура насыщения пара по уравнению интерполяции будет равна [5]:
"right"> )При расчетах поверхности теплообмена принимают, что греющий, насыщенный пары и конденсат отводятся при температуре конденсации т.е.
tн.п = t к.п = 138,9 оС.
Средняя разность температур:
"right">, (2.5)где
"right"> 1.
"right"> 1Тогда
Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке с учетом потерь теплоты за счет образующегося на внутренней поверхности аппарата осадка:
"right">, (2.6)где бнакл.1 - коэффициент теплопередачи для наклонной стенки аппарата, Вт/(м2·К);
- коэффициент теплопередачи от поверхности паровой рубашки к кипящему суслу, Вт/(м2·К);
д - толщина стенки паровой рубашки, то есть толщина листовой стали, м, д = 0,014 м;
лст - теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К), теплопроводность стали нержавеющей марки 1Х18Н9Т, лст = 16 Вт/(м·К).
- тепловая проводимость загрязнений стенок
(термическое сопротивление), Вт/м2
Коэффициент теплопередачи от греющего пара к стенке находим по формуле [4]:
"right">, (2.7)где Сп - коэффициент пропорциональности, для вертикальной стенки, Сп=0,533;
л - коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м·К);
сконд - плотность конденсата, кг/м3;
м - коэффициент динамической вязкости конденсата, Па·с;
r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг;
Нст - высота стенки м, Нст= м;
tп и tст - температура пара и стенки паровой рубашки, оС.
Величины л, сконд и м принимают по средней температуре плёнки конденсата:
"right">. (2.8)Температура стенки рассчитывается из следующего допущения :
"right"> оС, (2.9)Отсюда
"right"> 1Тогда
При температуре tср = 133,9 оС:
Величину r принимают при температуре насыщенного пара tн.п = 138,9 оС.
При 138,9 оС:
кДж/кг
Тогда по формуле (2.7):
.
Коэффициент теплопередачи для наклонной стенки аппарата вычисляют с углом
"right"> (2.10)Коэффициент теплоотдачи от поверхности паровой рубашки к суслу б2 находим по формуле [3]:
"right">, (2.11)где Nu - определяемый критерий теплообмена Нуссельта, который равен:
"right">, (2.12)где Reмеш - критерий Рейнольдса мешалки сусловарочного аппарата;
Pr - критерий Прандтля;
мсусла и мст - коэффициенты динамической вязкости сусла при средней температуре и при температуре стенки аппарата соответственно, Па·с.
Для рассчитываемого сусловарочного аппарата ВСЦ-1,5 выбираем мешалку типа лопастная, основные размеры которой приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Характеристика мешалки для сусловарочного аппарата ВСЦ-1,5
Тип мешалки |
Характеристика мешалки при H/D=1 |
Характеристика сосуда |
||||
ГD=D/dм |
в =b/dм |
hм/dм |
угол наклона |
Без перегородок |
||
Двухлопастная |
2 |
0,1 |
0,33 |
900 |
То есть диаметр мешалки dм равен:
"right"> (2.13)Принимаем стандартный диаметр мешалки по ГОСТ 20680-75:
.
Ширина лопасти мешалки b равна:
"right"> (2.14)Высота установки мешалки hм:
"right"> (2.15)Критерий Рейнольдса мешалки можно вычислить по формуле:
"right">, (2.16)где
nмеш.-частота вращения мешалки, с-1, nмеш. = 0,67 с-1.
- вязкость сусла, определяем как вязкость суспензии, состоящей из взвешенных твердых частиц и воды:
"right">, (2.17)где мв - коэффициент динамической вязкости воды, Па·с;
- объемная доля дисперсной фазы, м3/м3 . е<0,1 , примем е=0,06.
При средней температуре кипения сусла t=105 (по условию)
мв=0,26910-3Па
Тогда
Согласно формуле (2.16) критерий Рейнольдса мешалки равен:
Критерий Прандтля находят по формуле:
"right">, (2.18)где лсусла - коэффициент теплопроводности сусла
лсусла = 0,635 Вт/(м·К)
Ссусла - удельная теплоемкость сусла, кДж/(кг·К)
Удельная теплоёмкость сусла равна:
"right">, (2.19)где С0 - удельная теплоемкость сухих веществ, С0=1,42 кДж/(кг·К);
Св - удельная теплоёмкость воды, Св = 4,19 кДж/(кг·К);
Wн -содержание влаги в начальном сусле, % .
Wн= 100-Вн=100-9,5=90,5%
Тогда
"right">. 1Коэффициент динамической вязкости при температуре стенки аппарата
tст = 128,9 оС:
"right">1А значит критерий Нуссельта, исходя из формулы (2.12) равен:
"right">1А по формуле (2.11):
Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке с учетом потерь теплоты за счет образующегося на внутренней поверхности аппарата осадка
по формуле (2.6) равен:
Исходя из проделанных выше расчетов определяем необходимую площадь поверхности нагревания сусловарочного аппарата по формуле (2.3) равна:
Площадь поверхности теплопередачи на 1м3 полезной вместимости аппарата со стальным днищем:
"right"> (2.20)Так как полученная удельная площадь поверхности теплопередачи больше, чем Fкот1=1,2 , считаем, что аппарат работает в нормальных условиях.