Теплообмінні апарати

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

теплообмінник нагрівання охолодження

Вступ

1. Теплообмінні апарати

1.1Теплообмінні процеси в теплообмінниках

1.2 Класифікація теплообмінників, технологічне призначення

1.3 Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів

1.4 Кожухотрубні теплообмінники

2. Розрахунки



Вступ

Нагрівання й охолодження рідин і газів належать до найпоширеніших процесів у різних галузях харчової промисловості. Залежно від температурних та інших умов ведення процесу застосовують різноманітні методи нагрівання й охолодження. Для кожного конкретного процесу доводиться вибирати технологічно та економічно найдоцільніший метод нагрівання і відповідні теплоносії.

Апарати, призначені для нагрівання й охолодження, називаються теплообмінниками. За технологічним призначенням та конструктивним оформленням такі апарати досить різноманітні.

Найважливішими задачами розрахунку теплообмінних апаратів є визначення поля температур, а також знаходження потоків теплоти, визначення площі теплообмінної поверхні, необхідної для передачі потрібної кількості, або з метою визначення температур теплоносіїв і кількості теплоти, що передається в теплообміннику заданої конструкції і поверхні теплообміну. Розрахована величина кожного з параметрів може бути реалізована різними способами конструктивного оформлення теплообмінної апаратури. Різноманітні варіанти оформлення теплообміну зазвичай виявляються нерівноцінними за багатьма показниками, тому важливий вибір оптимального варіанту.

Отже, дана курсова робота спрямована на розрахунок оптимального варіанту кожухотрубного теплообмінника, який повинен забезпечити підігрівання рідини до певної температури та з певною продуктивністю, з найменшими затратами на виготовлення теплообмінника та на його експлуатацію.



1. Теплообмінні апарати

1.1 Теплообмінні процеси в теплообмінниках

Теплообмінними апаратами, чи теплообмінниками, називаються апарати для передачі теплоти від більш нагрітого теплоносія до менш нагрітого через стінку. Теплообмін застосовується на підприємствах харчової промисловості для нагрівання або охолодження різних середовищ при проведені технологічних процесів.

Розглянемо деякі типові випадки теплообміну в різних теплообмінниках:

а) теплообмін у сорочкових теплообмінниках. З боку нагріваючих чи охолоджуючих продуктів - вільна конвекція чи примусове перемішування мішалкою; з боку робочого середовища, що знаходиться в сорочці,- конденсація на вертикальній і сферичній поверхнях при паровому обігріві, обтікання циліндра і сфери при рідкому середовищі і рух рідини у вузьких каналах

б) теплообмін у кожухотрубних теплообмінниках. У трубному просторі - тепловіддача при змушеному перехідному, ламінарному чи турбулентному режимі, у між трубному просторі при паровому обігріві - конденсація на вертикальній поверхні чи зовні горизонтальних труб, при рідинному обігріві чи охолодженні поздовжнє, поперечне чи змішане обтікання пучка труб (у залежності від системи між трубних перегородок)

в) теплообмін у заглибних теплообмінниках. В середині труб при паровому обігріві - конденсація, при рідкому середовищі - змушений рух у різних режимах з підвищенням інтенсивності тепловіддачі в змійовиках за рахунок поворотів потоку. Ззовні труб - як правило вільна конвекція, при наявності мішалок - змушене обтікання труб.



1.2 Класифікація теплообмінників, технологічне призначення

Технологічне призначення теплообмінників різноманітне. Як правило, розрізняють:

теплообмінники, у яких передача тепла є основним процесом,

реактори, у яких тепловий процес відіграє допоміжну роль Класифікація теплообмінників можлива за різними ознаками:

1. 3а способом передачі тепла розрізняються теплообмінники:

- змішування, у яких робітничі середовища безпосередньо стикаються або перемішуються,

- поверхневі теплообмінники - рекуперативні, в яких один бік поверхні теплообміну весь час омиває гарячий теплоносій, а другий - холодний; регенеративні, в який одна і та сама поверхня теплообміну поперемінно омивається то одним, то другим теплоносієм.

2. 3а призначенням:

- випарні;

- холодильники;

- конденсатори.

3. За видом теплоносіїв залежно від агрегатного стану:

- рідинно-рідинні - при теплообміні між двома рідкими середовищами;

- паро-рідинні - при теплообмінні між парою і рідиною (парові підігрівники, конденсатори);

- газо-рідинні - при теплообмінні між газом і рідиною (холодильники для повітря);

- газо-газові - при теплообмінні між газовими середовищами;

- паро-газові - при теплообмінні між парою та газом.

4.3а тепловим режимом розрізняють теплообмінники:

періодичної дії, у яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес,

безперервної дії - зі сталим у часі процесом.

У теплообмінниках періодичної дії тепловій обробці піддається окрема порція (завантаженого) продукту і його кількості параметри процесу безперервно варіюють, у робочому режимі апарата в часі.

При безперервному процесі параметри його також змінюються, але уздовж проточної частини апарата, замикаючись постійним в часі в даному перерізі потоку. Безперервний процес характеризується сталістю теплового режиму і витрати робочого середовища, що протікають через теплообмінник.

Усі теплообмінні апарати поверхневого типу можна класифікувати залежно від напрямку потоків теплоносіїв:

- прямотечійні, коли обидва теплоносії рухаються паралельно в одному напрямку;

- протитечійні, коли обидва теплоносії рухаються в протилежних напрямках назустріч один одному;

- з перехресною течією теплоносії рухаються взаємно перпендикулярно;

- із складнішими схемами різного поєднання прямотечії, протитечії і перехресної течії.

Як теплоносій найбільш широко застосовується насичена чи злегка перегріта водяна пара. У змішувальних апаратах, пар, як правило, барботують у рідину (впускають під рівень рідини), при цьому конденсат пари змішується з продуктом, що не завжди припустимо. У поверхневих апаратах пар конденсується на поверхні нагрівання і конденсат віддаляється окремо від продукту за допомогою водовідвідників. Водяна пара, як теплоносій, має безліч переваг: легкість транспортування по трубах, регулювання температури, високою інтенсивністю тепловіддачі та ін. Застосування пари особливо вигідно при використанні, коли з продукту вода направляється у вигляді пари, що гріє інші випарні апарати і підігрівники.

Обігрів гарячою водою і рідинами також має широке застосування і вигідне при вторинному використанні. Тепло конденсатів і рідини, що по ходу технологічного процесу нагріваються до високої температури. У порівнянні з паром, рідинний підігрів менш інтенсивний. Однак регулювання процесу і транспорт рідини так само зручний, як і при паровому обігріві.

Загальним недоліком парового і водяного обігріву є швидкий ріст тиску з підвищенням температури. В умовах технологічної апаратури харчових виробництв при паровому і водяному обігріві найвищі температури обмежені 150-160°С, що відповідає тиску 0.5-0.7 МПа.

В окремих випадках (у консервній промисловості) застосовується масляний обігрів, що дозволяє при атмосферному тиску досягти температур до 200 С у печах, сушильних установах. Газовий обігрів має велику кількість недоліків: труднощі регулювання і транспортування теплоносія, малою інтенсивністю теплообміну, забрудненням поверхні апаратури (при використанні топкових газів) і ін. Однак у ряді випадків він є єдино можливим (наприклад, у повітряних сушарках).

У холодильній техніці використовуються ряд холодоагентів: повітря, вода, розсоли, аміак, вуглекислота, фреон та ін.

При будь-якому використанні теплоносіїв і холодоагентів, теплові і масообміні процеси підлеглі в основному технологічному процесу виробництва, заради якого створюється теплообмінні апарати й установки. Тому рішення задач оптимізації теплообміну підлеглі умовам раціонального технологічного процесу.

Для нагрівання та охолодження рідких середовищ розроблені теплообмінники різноманітних конструкцій. Одним з них є кожухотрубний теплообмінник, конструкція якого розглядається в даній курсовій роботі. Такі теплообмінники широко застосовуються в харчовій промисловості.

1.3 Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів

Конкретна задача нагрівання и охолодження даного продукту може бути вирішена за допомогою різних теплообмінників. Конструкцію теплообмінника варто вибирати, виходячи з наступних основних вимог, пропонованих до теплообмінних апаратів.

Найважливішою вимогою є відповідність апарата технологічному процесу обробки даного продукту, це досягається за таких умов:

підтримка необхідної температури процесу,

забезпечення можливості регулювання температурного режиму,

відповідність робочих швидкостей продукту мінімально необхідної тривалості перебування продукту в апараті,

вибір матеріалу апарата відповідно до хімічних властивостей продукту,

відповідність апарата тискам робочих середовищ.

Другою вимогою є висока ефективність (продуктивність) і економічність роботи апарата, зв'язані з підвищенням інтенсивності теплообміну й одночасно з дотриманням оптимальних гідравлічних опорів апарата. Ці вимоги звичайно виконуються при дотриманні наступних умов:

достатні швидкості однофазних робочих середовищ для здійснення турбулентного режиму,

сприятливий відносний рух робітничих середовищ (звичайно краще протиток);

забезпечення оптимальних умов для відводу конденсату і газів, що не конденсуються (при паровому обігріві);

поверхні нагрівання;

запобігання можливості забруднення і легке чищення поверхні нагрівання, мікробіологічна чистота й ін.

Істотними вимогами є також компактність, мала маса, простота конструкцій, зручність монтажу і ремонту апарата. З цього погляду мають вплив наступні фактори: конфігурація поверхні нагрівання, спосіб розміщення і кріплення трубок у трубних ґратах, наявність і тип перегородок, ущільнень, пристрій камер, коробка, днищ; габаритні розміри апарата й ін.

Ряд факторів визначає надійність роботи апарата та зручність його експлуатації: компенсація температурних деформацій, міцність, і щільність роз'ємних з'єднань, доступ для огляду і чищення, зручність контролю за роботою апарата, зручність з'єднання апарата з трубопроводами і т.д.

Ці основні вимоги повинні бути покладені в основу конструювання і вибору теплообмінних апаратів. При цьому найбільше значення має забезпечення заданого технологічного процесу в апараті.

1.4 Кожухотрубні теплообмінники

Кожухотрубні теплообмінники. Вони найпоширеніші в харчовій промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні й надійні в експлуатації.

Нагрівання гарячою парою має широке використання і корисний при вторинному використанню тепла конденсатора і рідин (продукту) який по ходу технологічного процесу нагрівається до високої температури.

Недоліком водяного нагрівання являється швидкий ріст тиску з підвищенням температури.

Багатотрубні теплообмінники представляють собою пучок трубок, розміщених в циліндричну камеру (кожух), таким чином внутрішня камера являє собою між трубний простір. Трубки розміщенні в трубній решітці, обмежуючи камеру з обох сторін. До трубної решітки кріпляться коробки з патрубками для впуску робочої рідини, що протікає всередині трубок.

Камера також має патрубки для підводу і відводу другого робочого тіла. Патрубки використовують при теплообмінні міх рідкими середовищами.

Трубні решітки можуть бути наглухо приварені або прикріплені до корпусу, одна з решіток може бути не з'єднана з камерою. В цьому випадку щільність досягають за допомогою резинових кілець, які закривають отвір між корпусом та решіткою. Такий спосіб кріплення забезпечує вільне збільшення трубочок при їх нагріванні і захищає від порушення кріплень трубок в решітці.

Кожухотрубний теплообмінник зазвичай стальний, циліндричний. Інколи для забезпечення вільного температурного розширення кожуха і трубочок на кожусі встановлюють компенсатор.

Покрашення трубчастих теплообмінників досягається в першу чергу шляхом групування трубок в окремі пучки (ходи), для цього в розпреділинних коробочках розміщають перегородки. Такий теплообмінник називається багатоходовим. Робоча рідина проходить через трубний простір в декілька ходів, протікає почергово через всі пучки трубок. При цьому швидкість рідини при даному використанні рухається з заданим рухом, то в результаті збільшується коефіцієнт теплопередачі.

Поперечні перегородки ділять між трубний простір на стільки ж ходів, скільки є трубного простору та забезпечує принцип протитечії робочого тіла.

Перегородки розміщуються паралельно трубкам і не доторкаються протилежної трубної решітки. Велика число перегородок не рекомендується через труднощі ущільнення стиків перегородки з решітками.

Поперечні перегородки бувають перекриваючі і не перекриваючі. Перекриваючі перегородки пересікають весь між трубний простір, залишаючи навколо кожної трубки кільце шириною біля 2 мм. відстань між перегородками - біля 100 мм. Робоче тіло протікає мимо труб з великою швидкістю; в в проміжках між перегородками утворюють завихри, для того щоб збільшити коефіцієнт теплопередачі.

Трубчаті теплообмінники виготовляють двох типів - горизонтальні та вертикальні, які відрізняються між собою лише незначними деталями (розміщення патрубків та опор). Горизонтально трубчастий менш вигідний через те що займає більшу площу і не зручно розміщувати на балках перекриття.

При установленні теплообмінників потрібно звертати увагу на напрямок руху робочого тіла. Гаряча (охолоджуюча) рідина повинна опускатися (подача з верху), а холодна - піднімається, тоді примусовий рух співпадає з дійсним.

Одноходовий краще розмішувати вертикально, багатоходовий - горизонтально так як деяких ходах вільний рух не співпадає з примусовим, що впливає на теплообмін в вертикальних теплообмінниках. Горизонтальне розміщення декількох послідовно з'єднаних рідких теплообмінників більш раціональне, оскільки більш вигідніше з'єднуватись з комунікаціями. у випадку їх частої чистки трубок багатоходові теплообмінники краще розміщувати вертикально.



2. Розрахунки

Вихідні дані

Для розрахунку береться кожухотрубний теплообмінний апарат. Дифузійний сік, який треба нагріти, подається в труби, а гарячий теплоносій - в міжтрубний простір. Апарат розташований горизонтально. Рух продукту і теплоносія протитечійний. Продукт нагрівається вторинною парою після 2 корпуса випарної установки.

р_пари =0,3 мПа;

продукт, що нагрівається - дифузійний сік ( в подальшому продукт), гарячий теплоносій - пара;

продуктивність апарату G = 8000 кг/год = 2,22кг/с;

температура продукту на вході в апарат t₁ =20⁰C; на виході t₂= 117 ⁰C;

втрати тепла складають х= %;

висота трубок Н= м, внутрішній діаметр трубки d_в= м, товщина стінки д_ст = м, зовнішній діаметр трубки d_з = м;

СР=%;

коефіцієнт корисної дії насосу з =

коефіцієнт теплопровідності для сталі л_ст = Вт/м*К.

температура гріючої пари tпари = 150⁰C

Інші дані приймаємо далі самостійно по ходу розрахунку.

Тепловий розрахунок теплообмінника при швидкості 0,5 м/с

Початкова температура продукту t₁= 20 ⁰C

Кінцева температура продукту t₂= 117 ⁰C

Тиск гріючої пари 0,3 мПа

Температура гріючої пари t_п=150⁰C

Обчислюємо середню різницю температур теплоносія і продукту:

Д t_б= t_п- t₁ = 150-20 = 130 ⁰C

Д t_м= t_п- t₂ = 150-117 = 33 ⁰C

Д t_б/ Д t_м = 130/33= 3,94 > 2

Д t_с= Д t_б- Д t_м / ln (Д t_б/ Д t_м) = 97/ 1,37 = 70,80 ⁰C

Обчислюємо середню температуру продукту:

t_с= t_п - Д t_с = 150- 70,80 = 79,2⁰C

При середній температурі t_с теплофізичні параметри дифузійного соку визначаємо за допомогою таблиць:

л_р= 0,584 Вт/(м*К) с_р=1025 кг/м³

м_р=0,00046004 Па*с С_р=3944Дж/(кг*К)

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, Дж/с або Вт:

Q=x*G*C*(t₂- t₁)

де х- коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище, (х=1,02…1,05); G - витрати рідини, кг/с; С-теплоємність рідини, Дж/(кг*К).

x=1,05;

G = 8000 кг/год = 2,22кг/с.

Q=1,05*2,22*3944*(117-20)=891766 Вт=8918 кВт

Витрата пари, кг/с:

D=Q/(I-i)

І - ентальпія нагріваючої пари,

і - ентальпія конденсату.

i=C*t_k=3944*(150-3)=579768 Дж/кг

де t_к - температура конденсату, t_к = t_п - (2…3) ⁰C

D=8918/(2680-579,8)=4,25 кг/с

Розрахунок коефіцієнта теплопередачі при швидкості 0,5 м/с

Розрахуємо загальний коефіцієнт теплопередачі за формулою:

К_о=1/((1/б₁)+(д/л_ст)+(1/ б₂))

Приймаємо швидкість руху рідини щ=0,5 м/с

Приймаємо діаметр теплообмінника d_вн=0,03 м

Розрахуємо критерій Рейнольдса:

Re= (щ* d_вн *с)/м=0,5*0,03*1025/0,00046004=33421

Розрахуємо критерій Нусельта:

Nu=0,021* Re^0,8*Pr^0,43 *(Pr/Pr_ст) ^0,25

Pr= (м*с)/ л

Pr=(0,00046004*3944)/0.584=3.107

Відношення (Pr/Pr_ст) ^0,25 приймемо за 1.

Nu=0,021*33421^0,8*3,107^0,43*1=160,058

За знайденою величиною Нусельта визначається:

б₂= Nu*л/d_вн=160,058*0,584/0,03= 3115,8 Вт/(м²*К)



Розрахункове рівняння для обчислення б₁:

б₁=2,04*А*

Де А - розрахунковий коефіцієнт, який залежить від фізичних властивостей конденсату; r - теплота конденсації; Н - довжина трубки; Дt1- різниця температур, t_р- t_ст1, t_р- температура пари, t_ст1- температура стінки, на якій конденсується пара;

Приймаємо t_ст1= t_р-(5…10)=150-5=145⁰C

Размещено на Allbest.ru