Instalatie de concentrare cu triplu efect si termocompresie destinata obtinerii sucului de mere concentrat

 

I nstalatie de concentrare cu triplu efect si termocompresie destinata obtinerii sucului de mere concentrat care lucreaza la o capacitate de S₀=kg/h suc de mere preconcentrat cu un continut de substanta uscata s_u0=20%

Sucul preconcentrat va avea un extract refractometric R=su_f=55%

Se cunosc urmatoarele date initiale:

-temperatura initiala a sucului preconcentrat t₀=40 C;

-temperatura de autoevaporare in efectul I este t₁= C;

-temperatura de autoevaporare in efectul II este t₂=;

-temperatura de autoevaporare in efectul III este t₃=;

-presiunea aburului motor P_Ab=8 atm;

-randamentulul injectorului ;

-temperatura aburului primar t_W0=110 C;

-temperatura apei la intrarea in condensator t_a=15 C;

-randamentul instalatiei ;

-variabila independenta n=4.

CUPRINS

Bilantul de materiale

Calculul debitului de solutie ce intra in instalatie...............pag3

.Calculul de solutie concentrata ce iese din instalatie si al debitului total de apa evaporata ...............................pag3

.Calculul debitelor de solutie preconcentrata in efectul I si II ..........pag3

.Sistematizarea tabelara a bilantului de materiale ...............pag4

Bilantul termic

.Calculul debitelor de abur intrate in instalatie

1.1 Calculul coeficientilor de evaporare si autoevaporare ............pag 5

1.2 Calculul fluxutilor termice pentru fiecare efect...............pag10

1.3 Sistematizarea tabelara a bilantului termic................pag11

.Calculul fluxurilor termice corespunzatoare condensatorului..........pag12

2.1Calculul necesarului de apa de racire la condensator.............pag13

2.2) Calculul consumurilor specifice de agent termic si apa de raciere .......pag13

Calculul de dimensionare

Dimendionarea primul vaporizator......................pag14

1.1 Calculul suprafetei de schimb termic:...................pag14

1.2Calculul numarului de tevi.........................pag17

1.3Calculul diametrului apartului.......................pag18

Dimensionarea racordului primului vaporizator................pag18

2.1Calculul racordului R₁-racord de alimentare cu suc preconcentrat........pag19

2,2Calculul racordului R₂-racord de evacuare a amestecului suc-vapori......pag 19

2.3 Calculul racordului R₃-racord de evacuare a sucului preconcentrat cu su₁....pag 21

2.4Calculul racordului R₄-radord de evacuare a vaporilor secundari..........pag 21

2.5Calculul racordului R₅-racord de intrate a aburului primar...........pag 21

2.6Calculul racordului R₆-racord de evacuare a condensului.............pag22

Bilantul de materiale

1.Calculul debitului de solutie ce intra in instalatie:

S=debit masic de suc initial [kg/s]

n=4

2.Calculul de solutie concentrata ce iese din instalatie si al debitului total de apa evaporata :

S=S+W

Ssu₀%=Ssu₃%

S=debit masic de suc iniatial [kg/s]

S=debit masinc de suc concentrat [kg/s]

W=apa total evaporata [kg/s]

su₃= su_f= substanta uscata a sucului concentrat [%]

W= 

I

W=debit masic de apa evaporata in efectul I [kg/s]

W=debit masic de apa evaporata in efectul II [kg/s]

W=debit maisc de apa evaporata in efectul III [kg /s]

3.Calculul debitelor de solutie preconcentrata in efectul I si II :

Obs.Debitele masice de apa evaporata in fiecare efect se cunosc din bilantul termic prin urmare bilantul de materiale pe fiecare efect se poate realiza abia dupa efectuarea bilantului termic

Bilantul de materiale in efectul I :

Bilantul de materiale in efectul II :

Bilantul de materiale in efectul III :

S=debit masic de suc iniatial[ kg/s]

S=debit masic de suc preconcentrat in efectul I[ Kg/s]

S₂=debit masic de scu precocentrat in efectul II [kg/s]

S₃= debit masic de suc concentrat in efectul III[ kg/s]

W₁=debit masic de apa evaporata in efectul I [ kg/s]

W_{2 =} debit masic de apa evaporata in efectul II [ kg/s]

W_{3 =} debit masic de apa evaporata in efectul III[ kg/s]

Su _{1 =} substanta uscata a sucului preconcentrat in efectul I[%]

Su_{2 =} substanta uscata a sucului preconcentrat in efectul II[%]

Su_{3 =}substanta uscata a sucului concentrat in efectul III[%]

-Bilantul de materiale I :

0.66= S₁+0.2127  S₁= 0.4473

0.66 20%= su₁%=29.5%

- Bilantul de materiale in efectul II

S₂+0.1071=0.4473 S₂=0.3402

su₂%=38.7870%

-Bilantul de materiale in efectul III :

S₃+0.1002=0.3402 S₃=0.24

0.340238.7870%=  su₃%=54.9805%

4.Sistematizarea tabelara a bilantului de materiale :

BILANTUL TERMIC

1.Calculul debitelor de abur intrate in instalatie

1.1 Calculul coeficientilor de evaporare si autoevaporare :

• Bilantul termic partial pentru efectul I :

W₁=

W₁= debit masic de apa evaporate in efectul I [ kg/s]

=randamentul instalatiei[%]

=coeficient de evaporare in efectul I

= coeficient de autoevaporare in efectul I

W₀=debit masic de abur primar [kg/s]

S=debit masic de suc initial[ kg/s]

r₀=caldura latenta de vaporizare[ kj/kg]

r₁₌caldura latenta de vaporizare a vaporilor secundari [ kj/kg]

r₀=f(t_w0=110 C)=2234[kj/kg]

r₁=f(t₁=76.2 C)=2318.36[kj/kg]

c₀=capacitate termica masica a sucului initial [j/kg k]

t₀₌temperatura initiala a sucului preconcentrat [ C]

t₁=temperatura de autoevaporare in efectul I [ C]

c₀=f(t₀)

=debit masic al agentului temic din efectul II [kg/s]

c₀=1386+21.6su₀% +2T₀

su₀=100-S₀=100-20%=80%

T₀=40 C+273.15=313.15 K

c₀=1386 +=2.0295 [kj/kg k]

• Bilantul termic partal in efectul II:

W₂=

W_{2 =} debit masic de apa evaporata in efectul II [ kg/s]

=randamentul instalatiei[%]

S=debit masic de suc initial[ kg/s]

=coeficient de evaporare in efectul II

= coeficient de autoevaporare in efectul II

c₀=capacitate termica masica a sucului initial [j/kg k]

c_a=cacitate termica masica a apei [kj/kg]

=debit masic al agentului termic folosit in efectul II [kg/s]

r₁=caldura latenta de condensare a agentului termic in efectul II [ kj/kg]

r₂₌caldura latenta de vaporizare a vaporilor secundari in efectul II [ kj/kg]

c_a=f (t₀=40 )=4.190[kj/kg k] tabelul 2.136 pag 124 MI vol I

• Bilantul termic partial in efectul III:

W₃=

W₁= debit masic de apa evaporata in efectul I [ kg/s]

W_{2 =} debit masic de apa evaporata in efectul II [ kg/s]

W_{3 =} debit masic de apa evaporata in efectul III[ kg/s]

=randamentul instalatiei

c₀=capacitate termica masica a sucului initial [j/kg k]

c_a=cacitatea termica masica a apei [kj/kg k]

S=debit masicc de suc initial[ kg/s]

=coeficient de evaporare in efectul III

= coeficient de autoevaporare in efectul III

r₂=caldura latenta de condensare a agentului termic in efectul III[ kj/kg]

r₃₌caldura latenta de vaporizare a vaporilor secundari in efectul III[ kj/kg]

r₃=f(t₃=41.2 C)=2394.396[kj/kg]tabelul 2.138 pag 125 MI vol I

Calculul fluxurilor pierdute :

In efectul I fluxul pierdut :

In efectul II fluxul pierdut

In efectul III fluxul pierdut :

r₀ =

h₀^''=entalpia vaporilor in functie de temperatura t₀ [kj/kg]

h₁^''= entalpia vaporilor in functie de temperatura t₁ [kj/kg]

Obs. Se pot calcula dupa aflarea debitelor W₀ ,,W₂ din bilantul termic cumulativ.

Bilantul materiale in injector :

Ab +W₁^'=W₀

+W₁^''=W₁

Ab =debit masic de abur motor [kg/s]

W₁^''=debit masic al al vaporilor secundari folosit ca agent termic din efectul II[kg/s]

=debit masic de vapori secundari care merg la injector[kg/s]

W₁=debit masic de apa evaporata in efectul I [ kg/s]

W₀=debit masic de abur primar [kg/s]

Bilantul termic in injector:

randamnetul injectorului [%]

h^''₁=entalpia aburului motor in functie de presiune [kj/kg]

entalpia vaporilor secundari [kj/kg]

h₀^''= entalpia aburului primar [kj/kg]

h^''_Ab=f(p=8at)=2776 [kj/kg]tabelul 2.139 pag 126 MI vol.I

h^''₁=f(t₁=76.2 C)=2637.92[kj/kg]tabelul 2.138 pag 126 MI vol.I

Bilantul termic acumulativ:

W= (1)

W₁=

W₂= (3)

W₃=(4)

W₁= (5)

Ab+ (6)

(7)

W= (1)

W₁=

W₁=

W2=(3)

W₂=0.9355W₁^'' +0.0085-0.0266 W₁

.W₃=95% +.08831 W₂+0.0169(0.66-2.0645(W₁+W₂) ( 4)

W₁=W₁^'+W₁''(5)

Ab+ W₁^'=W₀ Ab= W₀- W1'(6)

Din 67

0.9355(W₀- W₁)2776+ W₁^' 2637.92= W₀ 2696

2720.48 W₀-2720.48+ W₁^' 2637.92- W₀2696=0

24.48 W₀-83.76 W₁^'=0-83.76 W₁^'=-24.48 W₀ W₁^'=0.2922 W₀

Din 75

0.2922W₀+W₁^''=0.9154W₀-0.0035W₁^''=0.6232W₀-0.0035

Din 53

0.9355(0.6232W₀-0.0035)+0.0085-0.0266(0.9154W₀-0.0035)=W₂

0.5830W₀ -0.0032+0.0085-0.0243W₀-0.0301=W₂

0.5587W₀-0.0248=W₂

Din 3

0.9339(0.5587W₀-0.0248)+0.0169(0.66-2.0645(0.9154W₀-0.0035+0.5587W₀-0.0248))=0.42-0.9154W₀+0.0035-0.5587W₀+0.0248

0.5217W₀-0.0231+0.0169(0.66-2.0645(1.4741W₀-0.0028))=-1.4741+0.4483

0.5217W₀-0.0231+0.0169(0.66-3.0432W₀+0.0584)=-1.4741W₀+0.4483

0.5217W₀-0.0231-0.0514W₀+0.0221=-1.4741W₀+0.4483

1.9444W₀=0.2593 W₀=0.2362

W₂=0.1071

W₃=0.1002

Ab=0.2362-0.056=0.1802

W₁^'=0.2922-0.2362=0.056

1.2 Calculul fluxurilor termice pentru fiecare efect:

• Efectul I:

S₀c₀t₀+W₀h₀^'=S₁c₁t₁+W₁h₁^''+ W₀h₀^'+

= fluxul termic intrat cu sucul initial;[KW]

= fluxul termic intrat cu agentul termic W_0;[KW]

= flux termic iesit cu fluxul preconcentrat in efectul I;[KW]

=flux termic iesit cu apa evaporate in efectul I;[KW]

= flux termic iesit co condensul din efecttul I;[KW]

=flux termic pierdut in efectul I;[KW]

• Efectul II:

S₁c₁t₁+ W^''₁h₁^''=S₂c₂t₂+W₂h₂^'' + W^''₁h₁^' +

= flux intrat cu sucul preconcentrat S₁; [KW]

= flux intrat cu sucul preconcentrat in efectul II; [KW]

=suc iesit cu sucul preconcentrat in efectul II; [KW]

=flux iesit cu apa evaporata in efectul II; [KW]

=flux iesit cu condensul in efectul II; [KW]

=flux pierdut in efectul II; [KW]

• Efectul III:

S₂c₂t₂+ W₂h₂^''=S₃c₃t₃ +W₃h₃^''+W₂h₂^'+

=flux intrat cu agentul termic in efectul III; [KW]

=flux intrat cu agentul termic in efectul III; [KW]

=flux iesit sucul concentrate in efctul III; [KW]

=flux iesit cu apa evaporata in efectul III; [KW]

=flux iesit cu condensul in efectul III; [KW]

=flux pierdut in efectul III; [KW]

-Rezolvare :

=S₀c₀t₀=

=W₀h₀^'==607.1751

=S₁c₁t₁=

(c₁=1386+=2.0275)

=W₁h₁^''==561.085

=W₀h₀^'==44.17

=S₁c₁t₁=69.105

=W^''₁h₁^''==378.805

S₂c₂t₂==12.7446

=W₂h₂^''==279.585

=W^''₁h₁^'==45.8537

=S₂c₂t₂=12.7446

=W₂h₂^''=279.585

=S₃c₃t₃=19.979

=W₃h₃^''==257.7145

=W₂h₂^'==27.4625

1.3 Sistematizarea tabelara a bilantului termic:

2.Calculul fluxurilor termice corespunzatoare condensatorului:

2.1Calculul necesarului de apa de racire la condensator:

[kw]

[kw]

[kw]

Ap=debit masic de apade racire [kg/s]

t_ai=temperatura initiala a apei [ C]

c_ai=capacitatea termica masica initiala a apei [kj/kg K]

W₃=debit masic de apa evaporata in efectul III [kg/s]

h₃^''=entalpia vaporilor in functie de temperatura de autoevaporare in efectul III.[kj/kg]

t_af=temperature finala a apei[ C]

c_af= capacitatea termica masica finala a apei[ kj/kg K]

Se aleg :

t_af= t_ai C

c_af=f(t_af=30 C)=4.18 [kj/kg K]

Se recalculeaza temperatura finalaa apei la iesirea din condensator :

t_af=[ C]

flux termic intrat cu apa de racier in condensator [kw]

flux termic intrat cu vaporii secundari in efectul II [kw]

flux termic iesit cu condensul[kw]

2.2 Calculul consumurilor specifice de agent termic si apa de raciere :

C_{s apa de racire}=[kg apa racire/kg apa total evapoarata]

C_{s Ab}=[kg abur/kg apa evaporata]

Calculul de dimensionare

1.)Dimensionarea primului vaporizator 

1.1 Calculul suprafetei de schimb termic:

flux termic transmis[KW]

k=coeficient global de transfer de caldura [W/m² K]

A=suprafata de schimb termic [m²]

=diferenta medie de temperatura[ C]z

W₀=debit masic de abur primar [kg/s]

r₀=caldura latenta de condensare a aburului primar [kj/kg]

coeficient partial de transfer de caldura prin convectie de la agentul termic la peret [W/m² K]

grosimea peretelui tevii [m]

conductivitatea termica a materialului din acre sunt construite tevile[W/m K]

coeficient partial de transfer de caldura prin convectie de la perete la suc [W/m²K]

Calcul coeficient partial de transfer de caldura prin convectie de la agentul termic la peret

=

a=constanata dimensionala pentru peretii verticali ;a=0.943 FDT Rasenescu formula 5.150 pag 168

g=acceeratie gravitationala [m/s²]

=densitatea condensului [kg/m³]

=conductivitatea termica a condensului [W/m K]

=vascozitatea dinamica a condensului [Pa s]

=diferenta de temperatura intre temperatura agentului termic si temperatura peretului. C]

l=lungiema tevii[m]

r₀=f(t_W0)= tabelul 2.138,pag 125 MI vol I

g=9.81[m/s²]

= f(t med=106 C)din tabelul 2.136 pag 124 MI vol I

Calculul coeficientului partial de transfer de caldura prin convectie de la perete la suc :

Din ecuatia criteriala a convectiei fortate in spatii limitate ,fara schimbarea starii de agregare se calculleaza .

c.,m,n,=constante adimensionale ;

c=0.0209

m=0.18

n=0.45

Nu=

conductivitatea termica a sucului[W/m K]

d_i= diametrul interior al aparatului [m]

d_i= [m]

u_med%=

conductivitatea termica a sucului ;

densitatea sucului[kg/m³]

=vascozitatea sucului [Pa s]diagrama IV.98. pag 274,Iliescu.

W_suc=viteza sucului ;se impune (0.2-1m/s)=0.8m/s

s

Pr=

Pr=

a=difuzivitate termica a sucului [m²/s]

=vascozitatea cinematica a sucului [m²/s]

=1.1+ +0.05+u_med%

=1.1+0.027+331.25+0.05+0.7525

Pr=

Nu=

Nu=200.4142

1.2Calculul numarului de tevi:

n=nr de tevi 

A_teava=suprafata unei tevi[m²]

d_m=diametrul mediu al tevii[m]

l=lungimea tevii[m];

Se alege l=2-4 m

n=

d_m=

d_e=diametrul exterior al tevii[m];

d_i=diamnetrul interior al tevii[m];

Calculul numarului de cercuri concentrice (m)

n=3m(m+1)+1=47

3m²+3m-46=0

Conform STAS (Pavlov.tabelul XXXV) pentru m=4 (m=nr de cercuri) numarul real de tevi nr=62 din care 18 pe cercul exterior.

Recalculam lungimea reala a tevilor

lr=

1.3Calculul diametrului aparatului :

Da_i=2(mp+e)

Da_i=diametrul interior al aparatului [m]

p=pasul[m]

m=numarul de cercuri ;

e=distanta de la centrul unei tevi aseyate pe ultimul cerc,la mantaua aparatului.[m]

Da_i=2(+0.072)=0.464 m=464[m]

Da_e=diametrul exterior al aparatului [m]

Da_e=0.464+0.001=0.465[m]=465[mm]

2.Dimensioarea racordului primului vaporizator

Pornind de la ecuatia de continuitate a debitelor si tinind cont de viteze si densitati, se ajunge la urmatoarele formule de calcul

Dv=

Ac=

Dm=

Dv=debit volumic[kg/s]

Ac=suprafata de curgere [m/s²]

Dm= debit masic[kg/s]

= densitate[kg/m³]

21.Calculul racordului R₁-alimentarea cu suc preconcentrat(S₀)

• d₁=

S₀=debit masic de suc preconcentrat[kg/s]

=viteza sucului preconcentrat[m/s]-se impune =0.7m/s

=densitatea sucului preconcentrat [kg/m³]

d₁=

2.2Calculul racordului R₂-evacuarea amestecului suc vapori :

• d₂=

=15.20m/s=20m/s

=viteza amestecului suc-vapori[m/s]

=densitatea amestecului suc-vapori[kg/m³]

S₁₌debit masic de suc preconcentrat in efectul I [kg/s];

W₁=debit masic de apa evaporata in efectul I[kg/s]

u₁=substanta uscata a sucului preconcentrat in efectul I

T₁=76.2+273.15=349.35[K]

2.3Calculul racordului R₃-evacuarea sucului concentrate cu su₁%

d₃=

S₁=debit masic de suc preconcentrat in efectul I[kg/s]

2.4Calculul racordului R4-evaporarea vaporilor secundari

d₄=

W₁=debit masic de apa evaporata in efectul I[kg/s]

viteza debitului de apa evaporata [m/s]

densitatea apei evaporata[kg/m³]

2.5Calculul racordului R5-intrarea aburului primar :

• d₅=

0.8254[kg/m³]

30[m/s]

W₀=debit masic de abur primar[kg/s]

densitatea aburului primar[kg/m³]

viteza debitului de abur primar[kg/m³]

2.6Calculul racordului R₆-racord de evacuare a condensului :

d₆=

viteza condensului[m/s]

densitatea condensului[kg/m³]

W₀=debit masic de abur primar [kg/s]