Пластинчатая пастеризационно-охлаждительная установка для молока производительностью 10000 л/ч

      Начальная температура ледяной воды…………………………..t’_л= +1 °С

      Кратность ледяной воды………………………………………...n _л  = 4

      Температура молока после секции водяного охлаждения……..t₅ = 10 °С

      Общее допустимое гидравлическое сопротивление……….. ДP = 500 кПа (5 кгс/см²)

      Средняя удельная теплоемкость молока………………….c_M = 3880 Дж /(кг.°С)

      Плотность молока…………………………………………..с_M.= 1033 кг/м³

      Удельная  теплоемкость холодной и горячей  воды……… с_в = с_г = с_л = 4186 Дж/(кг.°С)

      Аппарат намечено изготовлять на базе пластин  типа П-2 с горизонтальными гофрами ленточно-поточного вида

      Основные  данные пластины:

      рабочая поверхность F₁ = 0,21 м²

      рабочая ширина b = 0,315 м

      приведенная высота L_n = 0,800 м

      площадь поперечного сечения одного канала f ₁ = 0,00075 м²

      эквивалентный диаметр потока d_϶ = 0,006 м

      толщина пластины д = 0,00125 м

      коэффициент теплопроводности материала пластины л_CT = 16 Вт/(м.°С)

      Для пластины данного типа действительны  уравнения теплоотдачи и потерь энергии: 

      Nu = 0,1 Rе^0,7 Рг^0,43 (Рг / Рг_ст)^0,25

      и

      Еu = 760 Rе^-0,25 ; о = 11,2 Re^-0,25 

      Решение

      1. Определение начальных и конечных  температур, вычисление температурных  напоров и параметров S :

      а. Секция рекуперации тепла :

      Температура сырого молока в конце секции рекуперации тепла (при входе в секцию пастеризации) : 

      t₂ = t₁ + ( t₃ - t₁ ) ɛ = 4 + ( 75 – 4 ) 0,76 = 57,96°С ≈ 58°С

      Температура пастеризованного молока после секции рекуперации (при входе в секцию охлаждения водой) : 

      t₄ = t₁ + ( t₃ – t₂ ) = 4 + ( 75 – 58 ) = 21°С 

      Средний температурный напор в секции рекуперации при характерной для нее постоянной разности температур : 

       = t₃ – t₂ = 75 – 58 = 17°С 

      Тогда симплекс : 

      S_рек = °С 

      б. Секция пастеризации :

      Температура горячей воды при выходе из секции пастеризации молока из условий баланса тепла : 

      t’’_г = t’_г – ( t₃ – t₂ ) = 79 – ( 75 – 58 ) = 75,06°С 

      Средний температурный напор при : 

      Δt_б = t’’_г – t₂ = 75,06 – 58 = 17,06°С

      Δt_м = t’_г – t₃ = 79 – 75 = 4°С 

      определим по формуле :

         

      Тогда: 

      S_n =  

      в. Секция охлажденияводой :

      Температура холодной воды, выходящей из водяной секции: 

      t’’_в = t’_в + ( t₄ – t₅ ) = 8 + ( 21 – 10 ) = 11,4°С 

      Средний температурный напор при: 

      Δt_б = t₄ – t’’_в = 21 – 11,4 = 9,6°С

      Δt_м = t₅ – t’_в = 10 – 8 = 2°С 

      найдем  из уравнения: 

        

      Тогда симплекс :

      S_n =

 

       г. Секция охлаждения ледяной водой:

      Температура ледяной воды на выходе из аппарата: 

      t’’_л = t’_л + ( t₅ – t₆ ) = 1 + ( 10 – 4 ) = 2,4°С 

      Средний температурный напор для секции охлаждения ледяной водой при: 

       t_б = t₅ – t’’_л = 10 – 2,4 = 7,6°С

       t_М = t₆ – t’_л = 4 – 1 = 3°С  

      определим по формуле: 

        

      Тогда симплекс: 

      S_л =  

      2. Отношение рабочих поверхностей и допустимые гидравлические сопротивления по секциям:

      Выбираем  ориентировочно следующие значения коэффициентов теплопередачи по секциям (в Вт/(м².°С) :

• секция рекуперации k_рек = 2900
• секция пастеризации k_п  = 2900
• секция водяного охлаждения k_в  = 2320
• секция охлаждения ледяной водой k_л  = 2100

      Отношение рабочих поверхностей секции составляет 

      

        

      Принимая  меньшее из этих отношений за единицу, можем написать  

      F_рек : F_п : F_в : F_л = 1,92 :1,15 : 1,71 : 1 

      Принимая  распределение допустимых гидравлических сопротивлений соответствующим распределению рабочих поверхностей и допуская небольшое округление, получим ДP_рек : ДP_п : ДP_в : ДP_л = 1,92 :1,15 : 1,71 : 1

      Так как общее допустимое гидравлическое сопротивление согласно заданию ДP=5.10⁵ Па, то, можем написать : 

      ДP_рек + ДP_п + ДP_в + ДP_л = 5.10⁵ Па 

      Так как отношение сопротивлений уже известно, то в соответствии с ним распределим сопротивления по секциям следующим образом :  

      ДP_рек = 166 000 Па

      ДP_п  = 99 500 Па

      ДP_в = 148 000 Па

      ДP_л  = 86 500 Па

 

       3. Определение максимально допустимых  скоростей продукта в межпластинных каналах по секциям:

      Для условий работы данного аппарата целесообразно определить лишь максимально  допустимые скорости в секциях для движения продукта. Гидравлические сопротивления по стороне движения рабочих сред малы, так как мала длина соответствующих трактов.

      Это позволяет выбрать скорости рабочих  сред из условий соблюдения приемлемой кратности по отношению к молоку, причем при наличии условий, циркуляции и повторного использования можно выбирать большие значения.

      Предварительно задаемся вспомогательными величинами: ожидаемый коэффициент теплоотдачи молока ориентировочно — б_м = 5000 Вт/(м².°С).

      Средняя температура стенки : 

      в секции рекуперации

        

      в секции пастеризации

        

      в секции водяного охлаждения

        

      в секции охлаждения ледяной водой

        
 

      Коэффициент общего гидравлического сопротивления:

      в секции рекуперации  о_р = 1,6

      в секции пастеризации  о_п = 1,4

      в секции водяного охлаждения  о_в = 1,95

      в секции охлаждения ледяной водой   о_л = 2,2

      Используя эти данные, определим максимально допустимые скорости движения молока: 

      а) в секции рекуперации

      

      б) в секции пастеризации

      

      в) в секции водяного охлаждения

      

      г) в секции охлаждения ледяной водой

      

      Полученные  значения скорости для секций почти  совпадают между собой. Наличие  значительной разницы свидетельствовало  бы об ошибке в вычислении или неправильном распределении допустимых гидравлических сопротивлений.

      Объемная производительность аппарата : 

        

      Определяем  число каналов в пакете, приняв щ_м = 0,57 м/с : 

        

      Так как число каналов в пакете не может быть дробным, округляем  до т = 6

      Уточняем  в связи с этим величину скорости потока молока : 

        

      Скорость  холодной воды принимаем равной скорости молока : 

      щ_в = щ_м = 0,59 м/с 

      Скорость  циркулирующей горячей воды и  ледяной воды принимаем : 

      щ_г = щ_л = 2щ_м = 1,18 м/с 

      4. Средняя температура, число Рг, вязкость и теплопроводность продукта и рабочих жидкостей :

      Число Рг, кинематическую вязкость v и теплопроводность продукта и рабочих жидкостей определяем при средних температурах жидкостей, пользуясь справочными данными.

      а . Секция рекуперации тепла :

      Средняя температура сырого молока (сторона  нагревания) : 

        

      Для молока при этой температуре 

      Pr = 9,6 ; л_м = 0,524 Вт/(м.°С)

      н = 1,27.10^-6 м²/с 

      Средняя температура пастеризованного молока (сторона охлаждения) : 

      

      Этой  температуре молока соответствуют  

      Pr = 5,7 ; л_м = 0,575 Вт/(м.°С)

      н = 0,87.10^-6 м²/с 

      б. Секция пастеризации :