Процессы и аппараты пищевых производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Одним из самых распространенных типов теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из себя пучок труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные.

Достоинствами кожухотрубчатых теплообменников являются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недостатками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

Теплообменные аппараты изготавливают (по ГОСТ 15120-79):

1) по расположению - вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

2) по числу ходов в трубном пространстве - одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырех ходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми (типы Н, К и П)

1. Выбор конструкционного материала

Так как среда в аппарате коррозионная, то для деталей теплообменного кожухотрубчатого аппарата, соприкасающихся с разделяемой средой, выбираем сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, а для остальных - сталь Ст 3 ГОСТ 380-71.

2. Технологический расчет

2.1 Общий тепловой баланс

В задании проекта надо нагреть воду от 10 до 70єС, для этого используем насыщенный водяной пар, который применяется в пищевой промышленности для нагрева до температуры 256єС. Принимаем температуру для расчета 108,7єС.

Определим среднюю температуру холодного теплоносителя (воды):

= 0.5*( (2.1)

При этой температуре вода имеет следующие физико-химические показатели [1]:

-теплоемкость холодного теплоносителя

=4180Дж/кг?К;

- число Прандтля холодного теплоносителя

-коэффициент теплопроводности холодного теплоносителя

µ2-вязкость динамическая холодного теплоносителя

Па?с

-плотность холодного теплоносителя

Тепловую нагрузку в соответствии с заданными техническими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей по формуле [2]

(2.2)

Тепловые потери при наличии теплоизоляции незначительны, поэтому в уравнении теплового баланса они не учитываются.

Тепловая нагрузка аппарата составит

Qобщ = 1,03*(2,0?4180?(65?5))=516648Вт.

2.2 Расход горячего теплоносителя

теплоизоляция теплоотдача теплоноситель сопротивление

В качестве горячего теплоносителя примем насыщенный водяной пар с температурой конденсации 108,7°С. При этой температуре насыщенный пар имеет следующие физико-химические показатели [2, стр. 537]:

- коэффициент теплопроводности горячего теплоносителя:

-вязкость динамическая горячего теплоносителя

-плотность горячего теплоносителя

Pr₁ - число Прандтля горячего теплоносителя

Расход пара определяется из уравнения теплового баланса, где r₁ - удельная теплота парообразования.

(2.3)

2.3 Средняя разность температур

В кожухотрубчатом теплообменнике схема взаимного движения теплоносителей - противоток.

Для установившегося процесса теплообмена в случае противотока, для расчета средней разности температур используем формулу

(2.4)

где ?t_Б и ?t_М - большая и меньшая разности температур на концах поверхности теплообмена.

?t_Б =108,7 ?10 = 88,7°C;

?t_М =108,7 ?70 = 38,7°C ;

2.4 Расчет ориентировочной поверхности теплопередачи

Выбор теплообменного аппарата

Ориентировочный коэффициент теплопередачи в кожухотрубчатых теплообменниках примем K_ОР = 200 Вт/м²?К (от конденсирующегося водяного пара к воде) [1].

Зная тепловую нагрузку аппарата, рассчитав среднею разность температур и выбрав ориентировочный коэффициент теплопередачи, определим ориентировочную поверхность теплообмена

(2.5)

Принимаем к установке одноходовой кожухотрубчатый теплообменный аппарат типа 325 ТКГ-16-М1-0/25-2-2 гр. А ГОСТ 15120-79:

1) Диаметр кожуха наружный D_н = 325 мм;

2) Длина труб l_тр =1500 мм;

3) Длина аппарата L = 2000 мм;

4) Поверхность теплообмена F = 7,5 м²;

5) Диаметр труб 25Ч2 мм;

6) Число ходов - 2;

7) Общее число труб - 62 штук.

Так как теплообменник одноходовой, поправку для среднелогарифмической разности температур рассчитывать не нужно.

2.5 Уточненный расчет выбранного теплообменного аппарата

Расчет коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя

Объемный расход холодного теплоносителя:

где - площадь сечения одного хода по трубам.

Определим тип движения в каналах, для этого найдем число Рейнольдса:

(2.6)

где Re - число Рейнольдса;

d_Э-эквивалентный диаметр, 0,021м для труб диаметром25Ч2мм;

µ -вязкость теплоносителя,Па•с.

Для холодного теплоносителя по формуле (2.6)

Режим движения турбулентный.

Выбираем формулу для расчета критерия Нуссельта:

(2.7)

Горячий теплоноситель меняет свое агрегатное состояние, поэтому для расчета коэффициента теплоотдачи используем формулу

(2.8)

Термическим сопротивлением со стороны пара можно пренебречь, для воды 1/r_З.Х.=5800 Вт/м²?К. Повышенная коррозийная активность конденсирующегося пара диктует применять нержавеющую сталь в качестве материала для труб. Теплопроводность нержавеющей стали [1], при толщине стенки 2,0 мм, примем равную л_СТ=17,5 Вт/м²?К. Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

(2.9)

Найдем коэффициент теплопередачи

(2.10)

Коэффициент теплопередачи:

Первое приближение расчёта температур стенок

Горячий теплоноситель

(2.11)

(2.12)

При этой температуре греющий пар имеет следующие физико-химические показатели:

л₁-коэффициент теплопроводности горячего теплоносителя

µ₁-вязкость динамическая горячего теплоносителя

с₁-плотность горячего теплоносителя:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Холодный теплоноситель

Запас прочности будет равен

Запас поверхности теплопередачи достаточен.

3. Гидравлический расчет

Скорость жидкости в трубах рассчитаем по уравнению:

(3.1)

Коэффициент трения

(3.2)

где относительная шероховатость труб;

? - высота выступов шероховатостей (в расчетах можно принять ? = 0,2мм)

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах.

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:

- входная и выходная камеры;

- поворот между ходами;

- вход в трубы и выход из них.

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выхо-де из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах.

Расчетные формулы для определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве окончательно принимают вид:

(3.3)

где z - число ходов по трубам.

Коэффициенттрения

Диаметр штуцеров в распределительной камере d_тр.ш. = 0,150 м; скорость штуцеров

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно

Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан и подобран нормализованный кожухотрубчатый теплообменный аппарат для нагревания воздуха. Расход холодного теплоносителя - 2,5 кг/с, температура начальная - 10єС, конечная - 70єС. Нагрев воды осуществляется насыщенным водяным паром с температурой конденсации 108,7єС.

В ходе расчетов был выбран кожухотрубчатый теплообменный аппарат типа 325 ТКГ-16-М1-0/25-1,5-2 гр. А ГОСТ 15120-79 с поверхностью теплообмена 7,5 м².

Список используемых источников

1. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов хими-ческой технологии: учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.: ОООТИД «Альянс», 2006. 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С.Борисов, В.П.Брыков, Ю.И.Дытнерский и др. Под.ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. 496 с.

Размещено на Allbest.ru