Кожухотрубний теплообмінник із заданою продуктивністю

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ І СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Інститут екологічної безпеки

Кафедра біотехнології

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни “ Процеси і апарати біотехнологічних виробництв „

Тема: Кожухотрубний теплообмінник із заданою продуктивністю.

Виконала: студентка ІЕБ-306

Горлова О. В.

Керівник: Копиленко А.В.

Київ 2012

Завдання на курсову роботу

Тема роботи: Cпроектувати кожухотрубний теплообмінник продуктивністю 5м³/год.

Строк здачі студентом закінченої роботи: «25» травня 2012 р.

1. Вихідні дані до роботи:відповідно до методичних вказівок для виконання курсової роботи з дисципліни «Процеси і апарати біотехнологічних виробництв»

2. Зміст розрахунково-пояснювальної записки:

1. Теоретична частина.

2. Тепловий, конструктивний та гідравлічний розрахунок апарата, оптимізація спроектованого апарата, розрахунок техніко-санітарних показників.

Реферат

Пояснювальна записка до курсової роботи: “ Проектний розрахунок кожухотрубного теплообмінника - охолоджувача для охолодження поживного середовища продуктивністю 10 м3/год „

Об'єкт дослідження - трьохсекційний пластинчатий пастеризатор-теплообмінник.

Мета роботи - ознайомитися з кожухотрубними теплообмінниками для охолодження стерильного поживного середовища у виробництві лимонної кислоти, виконати проектний розрахунок пластинчатого теплообмінника, розробити складальне креслення кожухотрубного теплообмінника і технологічну схему з його використанням.

Методи дослідження - опрацювання технічної літератури, аналіз, порівняння, математичний розрахунок пластинчатого пастеризатора.

Зміст

Вступ

1. Технологічна частина

1.1 Теоретичні основи процесу

1.2 Техніко-економічне обґрунтування і описання переваг конструкції

2.Постановка задачі і формулювання теоретичних основ розрахунку

2.1 Тепловий розрахунок

2.2 Конструктивний розрахунок апарату

2.3 Гідравлічний розрахунок апарата

2.4 Розрахунок витрат на процес

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Раціональне та ефективне використання теплової енергії є сьогодні визначальною чинником у виборі стратегії технічного та технологічного переозброєння підприємств.

Якість, ціна, надійність, економічність і доступність сервісного обслуговування - ось ті критерії, на які орієнтується більшість організацій, що приймають рішення про закупівлю необхідного обладнання. У зв'язку з цим не викликає сумнівів актуальність високоякісних теплообмінних кожухотрубних апаратів знаходять саме широке застосування в харчовій, нафтохімічній, хімічній промисловості, у ЖКГ, енергетиці.

Ясність, наочність і очевидність техніко-економічних переваг новітніх технічних і технологічних рішень в порівнянні з морально застарілим обладнанням є основним і необхідною умовою, яка має враховуватися при виборі відповідного обладнання. Але найважливішим критерієм вибору апарату є його економічна обґрунтованість. Економія теплоресурсів дозволяє знизити ціну на виготовляєму продукцію, що не мало важливо в умовах жорсткої конкуренції.

1. Технологічна частина

1.1 Теоретичні основи процесу

Теплообміном називається процес перенесення теплоти, який відбувається між тілами, що мають різну температуру. При цьому теплота переходить мимовільно від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. В результаті передачі теплоти відбуваються: нагрівання -- охолоджування, пароутворення -- конденсація, плавлення -- кристалізація. Теплообмін має важливе значення для проведення процесів випаровування, сушки, перегонки і ін.

Тіла, які беруть участь в теплообміні називаються теплоносіями.

Теплообмінні процеси можуть відбуватися тільки за наявності різниці температур між теплоносіями, тобто різниця температур -- рушійна сила теплообміну.

Розрізняють стаціонарні і нестаціонарні теплообмінні процеси. В періодично діючих апаратах при нагріванні або охолоджуванні, де температури міняються в часі, здійснюються нестаціонарні процеси.

В безперервнодіючих апаратах, де температури в різних точках апарату не змінюються в часі, протікають стаціонарні процеси.

Теплота від одного тіла до іншого може передаватися теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням.

Теплопровідність -- це процес передачі теплоти усередині тіла від одних частинок до інших унаслідок їх руху і взаємного зіткнення. Передача тільки за допомогою теплопровідності може відбуватися лише в твердих тілах.

Конвекція -- це процес розповсюдження теплоти в результаті руху і переміщення частинок рідин або газів. Перенесення теплоти можливе в умовах природної конвекції, при якій рух частинок викликаний різницею густини в різних точках об'єму, унаслідок різниці температур в цих точках, і примусової конвекції при переміщенні всієї маси газу або рідини.

Перенесення теплоти від поверхні твердого тіла до газоподібного або рідкого середовища називається конвективною тепловіддачею або просто тепловіддачею.

Процес передачі теплоти від гарячої рідини (газу), до холодної через стінку називається теплопередачею.

При теплообміні теплота, що віддається більш нагрітим теплоносієм (Q₁), затрачається на нагрів більш холодного теплоносія (Q₂). Нехтуючи втратами теплоти, рівняння теплового балансу можна записати у вигляді:

Q = Q₁ = Q₂, (1.1)

де Q -- теплове навантаження апарату, Вт.

Якщо теплообмін здійснюється при зміні агрегатного стану теплоносія (конденсація пари, випаровування рідини і ін.), то в тепловому балансі повинні бути враховані теплові ефекти, супроводжуючі процес.

Сукупність значень температур у всіх точках тіла називається його температурним полем. Температурні поля стаціонарні і нестаціонарні. Стаціонарним (сталим) називається таке поле, в якому температура в кожній точці не міняється в часі, якщо ж температура міняється, то поле буде нестаціонарним (несталим).

Якщо температура в двох сусідніх точках тіла рівна, то, отже, ці точки лежать на одній поверхні однакових температур, тобто на ізотермічній поверхні, і теплота не може розповсюджуватися уздовж всієї ізотермічної поверхні.

Для переходу теплоти від однієї точки до сусідньої необхідна наявність між їх температурами деякої різниці, причому теплота розповсюджується у бік пониження температури.

Для характеристики ступеня інтенсивності зміни температури в різних точках температурного поля користуються величиною, яка називається температурним градієнтом.

Тепловим потоком називається кількість теплоти (в Дж), передана в одиницю часу (в с), і виражається в Дж/с, тобто у ватах (Вт).

В різних точках температурного поля тепловий потік може бути різним по величині і по напряму. В нестаціонарному температурному полі він міняється і в часі.

Величина теплового потоку залежить від температурних умов поля і від фізичних властивостей речовини.

Основним законом передачі теплоти теплопровідністю є закон Фурье. При дослідженні передачі теплоти в твердому тілі Фурье встановив, що кількість теплоти, що проходить через тіло, пропорційно падінню температури, часу і площі перетину, перпендикулярного напряму розповсюдження потоку теплоти.

Коефіцієнт теплопровідності показує кількість теплоти, що проходить унаслідок теплопровідності в одиницю часу через одиницю поверхні теплообміну при різниці температур між стінками на одиницю товщини стінки.

Конвективний теплообмін -- це теплообмін між твердим тілом і рідиною (газом), що відбувається при їх зіткненні і одночасному перенесенні теплоти шляхом теплопровідності і конвекції. Такий випадок розповсюдження теплоти називається тепловіддачею. Конвективне перенесення теплоти пов'язано з рухом теплоносія. Рух середовища викликається різними причинами: вимушений рух виникає під дією якого-небудь збудника (насоса, вентилятора, мішалки), вільний рух -- унаслідок різниці густини нагрітих і холодних частинок середовища, яке обумовлене наявністю різниці температур. В першому випадку це буде вимушена конвекція, в другому -- природна конвекція.

У всіх випадках руху теплоносія біля твердої стінки утворюється тепловий прикордонний шар, термічний опір якого відрізняється від термічного опору теплоносія, що рухається.

Основним законом тепловіддачі є закон охолоджування Ньютона, згідно якому кількість теплоти Q, передана (або отримана) від теплообмінної поверхні до навколишнього середовища, прямо пропорційна поверхні теплообміну F, різниці температури поверхні t_Ct і температури навколишнього середовища t₁ а також часу ?, протягом якого йде теплообмін.

Коефіцієнт тепловіддачі ? визначає кількість теплоти (в Дж), яка передається від 1 м² теплообмінної поверхні до рідини (або від рідини до 1м² теплообмінної поверхні) протягом 1с при різниці температур між теплообмінною поверхнею і рідиною 1К.

Вимушена конвекція відбувається під дією якого-небудь зовнішнього джерела енергії.

При русі потоку теплоносія в теплообмінних апаратах спостерігається вплив поля температур на поле швидкостей.

Процес тепловіддачі при перебігу рідини в трубах є складнішим в порівнянні з процесом тепловіддачі при обмиванні поверхні необмеженим потоком. Рідина, що протікає оддалік поверхні, не випробовує впливу процесів, що відбуваються біля стінки. Перетин труб має кінцеві розміри. В результаті, починаючи з деякої відстанні від входу, рідина по всьому поперечному перетину труби випробовує дію сил в'язкості, відбувається зміна температур рідини як по перетину, так і по довжині каналу. Все це позначається на інтенсивності тепловіддачі.

Види тепловіддачі

· Тепловіддача при подовжньому обмиванні пучка труб

Типовим прикладом є пучок труб, змонтований в циліндровій сорочці без поперечних перегородок (кожухотрубний теплообмінник).

Швидкість протікання рідини визначається в даному випадку розміром прохідного перетину між трубами. Еквівалентний діаметр є діаметром перетину, обмеженого чотирма сусідніми трубами. Визначальна температура -- це середня температура теплоносія.

· Тепловіддача при поперечному обтіканні труб

Цей вид тепловіддачі має місце в кожухотрубних теплообмінниках при русі теплоносіїв в міжтрубному просторі з поперечними перегородками і в трубчастих підігрівачах, встановлених в димових каналах.

Пучки труб характеризуються наступними параметрами:

d -- діаметр труб, м;

t -- крок труб, м;

r -- число рядів труб.

На форму потоку, оточуючого трубки, робить вплив взаємне розташування труб і величина крокової відстані t між ними (рис. 1.1). У першого ряду труб умови тепловіддачі підкоряються тим же закономірностям, що і у одиночних труб, а в другому і третьому ряді інтенсивність теплообміну зростає за рахунок турбулізації потоку при проходженні через пучок труб. Характер перебігу потоку в міжтрубному просторі практично стабілізується при шаховому розташуванні труб починаючи з четвертого ряду, а при коридорному розташуванні - з 7 ряду.

Теплообмін при природній конвекції. Природна конвекція підтримується не штучним шляхом, а виникає сама, під дією різниці температур і обумовленої цим різниці густини в рідинах і газах.

Рисунок 1.1 - Поперечне обмивання пучка труб. а) коридорне розташування труб; б) шахове розташування труб.

Якщо, наприклад, помістити в повітряний простір з постійною температурою нагрівальний елемент, то наступає теплообмін між елементом і навколишнім повітрям. Частинки повітря, що знаходяться поблизу елемента, нагріваються, густина їх зменшується, унаслідок чого вони підіймаються. На їх місце поступають нові, більш холодні частинки, які, нагріваючись, теж підіймаються. Таким чином, підйомна сила створюється за рахунок витіснення нагрітого повітря більш важким холодним повітрям.

Природна конвекція виникає за рахунок дії масових сил на елементи рідини або газу. Ці сили можуть мати різну фізичну природу: сила тяжкості, відцентрова сила, електромагнітні сили.

Розглянемо процес природної конвекції, викликаний різницями гравітаційних сил, обумовленими перепадами температур і, як наслідок, різницями густини середовища. В даному випадку тепловіддача залежить від форми і розмірів поверхні нагріву, температур поверхні і теплоносія, коефіцієнта об'ємного розширення і інших фізичних властивостей. Швидкість руху рідини не робить впливу на тепловіддачу, тому критерій Рейнольдса виключається з рівнянь тепловіддачі при природній конвенції.

Тепловіддача при конденсації пари

Якщо пара стикається із стінкою, температура якої нижче за температуру насичення, то вона конденсується на стінці і осідає на ній у вигляді рідини. Розрізняють три види конденсації пари на твердій поверхні:

· Плівкова конденсація, коли конденсат стікає по поверхні у вигляді суцільної плівки (має місце на поверхнях при інтенсивній конденсації).

· Краплинна конденсація, коли конденсат випадає на поверхні у вигляді окремих крапель (має місце на незмочуваних поверхнях охолоджування).

· Змішана конденсація, коли частина поверхні покрита краплями, а частина -- плівкою конденсату.

При краплинній конденсації можна одержувати високі коефіцієнти тепловіддачі. Стійкий характер краплинна конденсація має лише в апаратах, поверхня охолоджування яких не змочується конденсатом завдяки фізичним властивостям рідкої фази, наприклад в конденсаторах ртутної пари, а також при періодичному введенні в пару ефективних гідрофобізаторів.

Основне рівняння теплопередачі

В більшості практичних випадків взаємодія теплоносіїв відбувається через деяку поверхню розділу, яка в загальному випадку може розглядатися як багатошарова тверда стінка. Наприклад, в трубчастих теплообмінниках теплообмін відбувається через стінку труби і два шари забруднень з обох боків стінки.

Цей вид теплообміну називається теплопередачею. Кількість передаваної теплоти визначається основним рівнянням теплопередачі:

Q = KF?t_cp, (1.2)

де Q -- тепловий потік, тобто кількість теплоти, передавана через поверхню теплообміну в 1 с, Вт;

К -- коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²К);

F -- площа поверхні теплопередачі, м²;

?t_ср -- середня різниця температур гарячого і холодного теплоносія, К.

Коефіцієнт теплопередачі К показує, яка кількість теплоти переходить в одиницю часу від більш нагрітого до менш нагрітого теплоносія через розділяючу їх стінку площею 1 м² протягом 1 с, при різниці температур між теплоносіями 1К.

На рис. 1.2 показана передача теплоти через плоску стінку.



Рисунок 1.2 - Передача теплоти через плоску стінку

Теплопередача через циліндрову стінку

Розглянемо передачу теплоти теплопровідністю через циліндрову стінку (рис. 1.3) завдовжки l, внутрішнім радіусом r_в і зовнішнім радіусом r_н. Температури внутрішньої і зовнішньої поверхонь постійні і рівні t₁ і t₂, відповідно, тобто процес теплообміну був сталий.

Нехай t₁ > t₂ і температура змінюється тільки в радіальному напрямі.

Для циліндрової стінки поверхня її в деякому перетині, що відповідає поточному радіусу r, складає F = 2rl. Підставивши значення F в рівняння Фурье з урахуванням того, що r_н/r_в = d_H/d_в, і провівши ряд перетворень, отримаємо:

Q = 2?/?(t₁-t₂)|(ln d_H/d_в). (1.4)

Рисунок 1.3 - Теплообмін через циліндрову стінку

Це рівняння показує, що по товщині циліндрової стінки температури змінюються по логарифмічному закону.

Рушійною силою теплопередачі є різниця температур між гарячим і холодним теплоносієм.

Найбільш часто теплопередача в промисловій апаратурі протікає при змінних температурах теплоносіїв. Температури теплоносіїв змінюються уздовж поверхні розділяючої їх стінки, тому в теплових розрахунках користуються середньою різницею температур ?t_ср, яка і входить в рівняння теплопередачі.

Кількість теплоти, передавана через поверхню при теплообміні, пропорційна середньій різниці температур.

При рівномірному і невеликому падінні температур по довжині поверхні нагріву або охолоджування середня різниця температур буде середньоарифметичною.

При більш інтенсивному теплообміні і великих різницях температур, тобто при ?t_б/?t_м > 2, падіння температур по довжині поверхні нерівномірне. В цьому випадку середня різниця буде середньологарифмічною, що змінюється по кривій від початкової до кінцевої різниці температур теплоносіїв.

Теплопередача, при змінних температурах залежить від взаємного напряму руху теплоносіїв уздовж розділяючої їх стінки. Паралельний струм, або прямоток, -- теплоносії (1 і 2) рухаються в одному напрямі (рис.1.4, а). Протитечія -- теплоносії рухаються в протилежних напрямах (рис.1.4,б). Перехресний рух -- теплоносії рухаються взаємно перпендикулярно один одному (рис.1.4, в). Змішаний потік -- один з теплоносіїв рухається в одному напрямі, а інший -- як прямотоком, так і протитечією до першого (рис.1.4,г).

Найпоширенішими видами руху є прямоток і протитечія. Проте застосування протитечії більш економічно, ніж прямотоку. Це витікає з того, що середня різниця температур при протитечії більша, ніж при прямотоці, а витрата теплоносіїв однакова (при однакових початкових і кінцевих температурах теплоносіїв) і швидкість теплообміну при протитечії більша.

Рисунок 1.4 - Варіанти напряму руху теплоносіїв уздовж розділяючої їх стінки. а -- прямоток; б -- протиток; в -- перехресний потік; г -- змішаний потік; 1, 2--теплоносії

Зіставлення температурних режимів роботи теплообмінних апаратів при прямотоці і протитечії переконує, що при прямотоці (рис.1.5, а) максимальний температурний тиск має місце біля входу в теплообмінник. Потім цей тиск зменшується, досягаючи мінімального значення на виході з апарату. При протитечії (рис.1.5,б) теплове навантаження більш рівномірне, а кінцева температура нагріваючого середовища може бути вищою за кінцеву температуру охолоджуючого середовища. Це дозволяє при регенерації теплоти забезпечити більш високий підігрів середовища, що нагрівається, а при охолоджуванні - понизити витрату охолоджуючого агента або при тій же витраті знизити кінцеву температуру охолоджуваного середовища.

Рисунок 1.5 - Характер зміни температур теплоносіїв. а--прямоток; б--протиток

В інженерних розрахунках для визначення сумарного коефіцієнта тепловіддачі користуються емпіричними рівняннями.

Для зменшення втрат теплоти в оточуюче середовище апарати і трубопроводи покривають матеріалами теплоізоляцій з низькою теплопровідністю. Як матеріали теплоізоляцій використовують скловату, азбест, пробкові плити, совелит і ін. Ізоляція повинна бути термостійкою, негігроскопічною, дешевою і довговічною.

1.2 Техніко-економічне обґрунтування і описання переваг конструкції

В поверхневих теплообмінниках обидва теплоносії розділено стінкою і теплота передається через стінку від одного теплоносія до іншого.

Поверхневі теплообмінники -- найпоширеніші.

Кожухотрубні теплообмінники застосовуються тоді, коли потрібна велика поверхня теплообміну, тобто для випаровування і конденсації теплоносіїв в різних технологічних процесах, а також для нагрівання і охолоджування рідин і газів. В більшості випадків пара (гарячий теплоносій) вводиться в міжтрубний простір, а рідина, що нагрівається, протікає по трубах. Забруднені потоки (наприклад, запорошені гази або суспензії) слід направляти в трубки, а не в міжтрубний простір (оскільки трубки легше очищати).

Кожухотрубчатий теплообмінник (рис. 1.6) є апаратом, що складається з пучка труб 4, міцно закріплених в трубних решітках 3 і обмежених кожухом 1 і кришками 2 з штуцерами. Кришки і труби утворюють трубний простір, а між кожухом і зовнішньою поверхнею труб є міжтрубний простір.

Трубний і міжтрубний простори, по яких рухаються теплоносії, розділені між собою поверхнею теплообміну, причому кожна з них може бути поділена перегородками на декілька ходів (на рис. 1.7 зображений багатоходовий теплообмінник, який має два ходи по трубному простору). Перегородки встановлюються з метою збільшення швидкості руху теплоносіїв і інтенсивності теплообміну. В цих апаратах за допомогою перегородок в кришках труби діляться на секції, в яких послідовно проходить рідина. Число труб в секціях однакове. В багатоходовому теплообміннику в порівнянні з одноходовим тієї ж поверхні швидкість і коефіцієнт тепловіддачі зростають відповідно числу ходів.

Рисунок 1.6 - Кожухотрубний теплообмінник. 1--кожух; 2 -- кришка; 3 --трубні решіткии; 4--труби

Рисунок 1.7 - Двоходовий (по трубному простору) кожухотрубний теплообмінник

Для підвищення коефіцієнта тепловіддачі з боку рідини, що рухається в міжтрубному просторі, також встановлюються перегородки. Перегородки можуть бути подовжніми (рис. 1.8) і поперечними (рис. 1.9). Розрізняють наступні поперечні перегородки (рис. 1.10): сегментні, секторні, кільцеві. Найбільше розповсюдження отримали сегментні перегородки.

Рисунок 1.8 - Двоходовий (по міжтрубному простору) кожухотрубний теплообмінник

Рисунок 1.9 - Кожухотрубний теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубному просторі



Рисунок 1.10 - Схеми поперечних перегородок трубного пучка. а-- сегментні; б -- секторні; в-- кільця і диски; г -- суцільні диски з отворами на 1,5--2 мм і більше зовнішнього діаметра труб

В горизонтальних теплообмінниках ці перегородки є одночасно проміжними опорами для труб.

Спосіб з'єднання труб в трубних гратах визначається властивостями матеріалів, вживаних для даної конструкції. Труби в трубних решітках закріплюють (рис. 1.11) розвальцьовуванням, зваркою, паянням і т.д. Частіше використовують розвальцьовування. Іноді труби кріплять за допомогою роз'ємних сальникових пристроїв, що допускають вільне подовжнє переміщення труб.

Розміщення труб в решіткахах здійснюється по периметрах правильних шестикутників (рис. 1.12,а), по концентричних колах (рис. 1.12,б) і по вершинах квадратів (рис. 1.12,в).

Рисунок 1.11 - Закріплення труб в трубних гратах. а-- завальцовкою; б -- зваркою; в-- паянням



Рисунок 1.12 - Розміщення труб в решітках кожухотрубчатых теплообмінників. а -- по периметрах правильних шестикутників; б -- по концентричним колам; в -- по вершинах квадратів

Найбільш часто труби розміщують по периметрах правильних шестикутників. Число труб в трубних решітках розраховується по рівняннях.

Діаметр труб і крок трубного пучка (відстань між осями сусідніх труб) істотно впливають на компактність і масу теплообмінника. Для стандартних труб із зовнішнім діаметром d_н -- 16; 20; 25; 38,5 мм, розміщені по периметрах правильних шестикутників, приймають крок, рівний при розвальцьовуванні 1,3 - 1,6 d_H, при зварці -- 1,25 d_H.

Кожухотрубні теплообмінники розташовуються вертикально або горизонтально.

При різниці температур між теплоносіями понад 50 °С виникають температурні напруги, які можуть перевищити межу міцності матеріалу; в результаті, з'являється нещільність, порушується герметичність.

Для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу апарату використовують теплообмінники з лінзовими компенсаторами, з плаваючою головкою, з U- образними трубами, а також теплообмінники з сальниковими пристроями (рис. 1.13).

Найбільш поширені апарати з лінзовими компенсаторами (рис. 1.14), які застосовуються, коли температурні деформації не перевищують 10--15 мм, а умовний тиск не перевищує 2,5 МПа.



Рисунок 1.13 - Кожухотрубний теплообмінник з сальниковим пристроєм для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу

Лінзові компенсатори (рис. 1.15) вварюються біля кожуха. Розрізняють наступні види лінзових компенсаторів: тарільчаті, торові, трапецієвидні.

Рисунок 1.14 - Кожухотрубний теплообмінник з лінзовим компенсатором

Рисунок 1.15 - Лінзові компенсатори. а --тарільчатий; б -- торовий; в-- трапецієвидний

Кожухотрубні теплообмінники з плаваючою головкою застосовують для нагріву або охолоджування рідких і газоподібних середовищ в межах робочих температур від мінус 30 °С до плюс 450 °С і умовного тиску 1,6-- 6,4 МПа в трубному або міжтрубному просторі. Рухомі трубні грати дозволяють трубному пучку вільно переміщатися незалежно від корпусу. Крім того, трубні пучки легко виймаються з корпусу для ремонту, чищення або заміни.

Теплообмінники з U - образними трубами (рис. 1.16) мають одні трубні решітки, в які ввальцовані обидва кінці кожної U- образної труби.

Корпус теплообмінника не пов'язаний жорстко з трубами, і кожний елемент може подовжуватися, не викликаючи термічних напруг в місцях приєднання. Недоліком таких теплообмінників є трудність внутрішнього очищення труб.

Рисунок 1.16 - Кожухотрубний теплообмінник з U- образними трубами

Кожухотрубні теплообмінники мають наступні умовні позначення: конденсатори -- К, випарники -- И, теплообмінники -- Т, холодильники -- X. Друга буква умовного позначення показує наявність конструкційних пристроїв для компенсації температурних деформацій: ТН -- теплообмінник з нерухомими трубними решітками; ТП -- теплообмінник з плаваючою головкою; ХК -- холодильник з температурним компенсатором на кожусі; ІУ -- випарник з U-образними трубками.

При виборі і створенні теплообмінної апаратури необхідно враховувати такі важливі чинники, як теплове навантаження апарату, температурні умови процесу, физико-хімічні параметри робочих середовищ, умови теплообміну, характер гідравлічних опорів, вид матеріалу і його корозійну стійкість, простоту пристрою та компактність, розміщення апарату, взаємний напрямок руху робочих середовищ, можливість очистки поверхні теплообміну від забруднень, витрати металу на одиницю відданої теплоти та інші техніко-економічні показники.

Економічне використовування якісних матеріалів, високий рівень технології виготовлення і повне використовування всіх досягнень теплопередачі дають можливість вибору і створення раціональних теплообмінних апаратів, що задовольняють всім перерахованим вимогам.

Хімічні продукти в тій чи іншій мірі завжди викликають корозію матеріалу апарату, тому для виготовлення їх застосовуються різні метали (залізо, чавун, алюміній) і їх сплави. Найбільше застосування знаходять сталі. Завдяки здатності змінювати свої властивості залежно від складу, можливості термічної і механічної обробки сталі з низьким змістом вуглецю добре штампуються, але погано обробляються різанням. Добавки інших металів -- легуючих елементів -- покращують якість сталей і додають їм особливі властивості (наприклад, хром покращує механічні властивості, зносостійкість і корозійну стійкість; нікель підвищує міцність, пластичність; кремній збільшує жаростійкість).

Легуючі елементи позначаються буквами: X -- хром, Н -- нікель, М -- молібден, Г -- марганець, С-- кремній, Т -- титан, Д -- мідь, Ю -- алюміній і т.і. Наприклад, сталь марки Х18Н12М2Т містить (в %): вуглецю -- менше 0,1; хрому -- 18; нікелю -- 12; молібдену -- 2; титана -- менше 1.

Сталі звичайної якості (наприклад, Ст3) застосовують для виготовлення апаратів, що працюють під надмірним тиском до 6 МПа при температурах від мінус 30 °С до плюс 425 °С. Для більш жорстких умов застосовують вуглецеві сталі поліпшеної якості -- марок 15К і 20К.

Для підвищення термостійкості і міцності застосовують низьколеговані сталі 10Г2С1, 16ГС, ЗОХ, 40Х, що дозволяє використовувати апарати при температурах від мінус 70°С до плюс 550 °С.

Для підвищення кислотостійкості і жароміцності апаратів їх виготовляють з хромонікелевих сталей марок Х18Н10Т, Х18Н9Т.

Для дуже агресивних середовищ застосовуються високолеговані сталі, наприклад 0Х23Н28МЗДЗТ.

При виробництві теплообмінних апаратів корпус їх виконується із сталевих листів (переважно товщиною більше 4 мм), що виготовляються гарячим плющенням.

Кожухотрубні теплообмінники застосовуються як рідинні і газові підігрівачі, конденсатори і випарники. Вони працюють при умовному тиску до 6,4 МПа і температурах від мінус 30 °С до плюс 450 °С.

Кожухотрубні теплообмінні апарати загального призначення виготовляють з вуглецевої або неіржавіючої сталі з площею поверхні теплообміну від 1 до 2000 м².

Кожухотрубні теплообмінники із зовнішнім діаметром кожуха 159--426 мм виготовляють із стандартних труб. Кожухи теплообмінників діаметром понад 400 мм виготовляють зварними з листового прокату вуглецевої або неіржавіючої сталі.

Кожухотрубні теплообмінники з U- образними трубами застосовують для теплообміну при температурах від мінус 30 °С до плюс 450 °С і тиску в межах 1,6--6,4 МПа. Стандартні теплообмінники виготовляють з діаметром кожуха від 325 до 400 мм. Кожух і розподільна камера можуть бути виготовлені із сталі ВМСтЗСн або 16ГС, теплообмінні труби -- із сталі 20, в конденсаторах -- із сплаву АМг2М.

При температурах теплоносія вище 400°С застосовують леговані марки сталі. Труби для теплообмінників вибирають, виходячи з агресивності теплоносіїв. Для стандартних теплообмінників застосовують труби з вуглецевої сталі 10 і 20, коррозійностійкої сталі 0Х18Н10Т і латуні ЛОМ 70-1-0,06. Для конденсаторів застосовують труби з латуні ЛАМш 77-2-0,06. При використовуванні агресивних теплоносіїв приймають труби із сталі Х5М, а трубні решітки виготовляють із сталі 16ГС та двошарової сталі 16ГС+ Х18Н10Т.

Кожухотрубні теплообмінники зі всіх видів теплообмінників найпростіші по конструкції, прості в експлуатації і володіють невисокою ціною, тому даний вид теплообмінників має найбільше застосування по відношенню до інших видів.

2.Постановка задачі і формулювання теоретичних основ розрахунку

2.1 Тепловий розрахунок

Розрахувати теплообмінний апарат для охолодження меляси 5м³/год від 70 до 30 ⁰С водою,що нагрівається від 20 до 40⁰С. Тиск в лініях води і меляси менше за 0,3 МПа.

1. Визначимо витрату теплоти і витрату води. Приймемо індекс «1» для гарячого теплоносія (меляси) та індекс «2»-- для холодного (вода).

Знайдемо середню температуру води t₂ та меляси t₁:

Розрахуємо ?t_ср --середню різницю температур при протитечії теплоносіїв:

70⁰С > 30⁰С (меляса)

40⁰С <20⁰С (вода)

?t_в=30⁰С ?t_м.= 10 ⁰С

Враховуючи втрати холоду у розмірі 5% витрата теплоти буде дорівнювати:

Q=1,05*G₁c₁(t_1н-t_1к)= 1,05*0,55*20,47*(70-30)= 472,99 (Вт)

Витрата охолоджуючої води обчислюється за формулою:

G₂=Q/c₂*(t_2к -t_2н)= 0,924/4183*(40-20)= 4,5(кг/с),

де с₁= 20,47 (Дж/кг*К) та с₂ =4183(Дж/кг*К) - питомі теплоємності меляси та води при їх середніх температурах t₁ та t₂.

Розрахуємо об'ємні витрати меляси та води:

V₁= G₁/?₁= 0,55/1159,1= 0,00047451 (м³)

V₂= G₂/?₂=0,0044/1000=0,004 (м³),

де ?₁= 1159,1 (кг/м³) ?₂=1000 (кг/м³) -- густина меляси та води відповідно.

2.Намітимо варіанти теплообмінних апаратів

Для цього розрахуємо орієнтовне значення площі поверхні теплообміну,приймаючи К_op=250 Вт/(м²*К) таким, як при теплообміні від рідини до рідини для вуглеводнів:

F_op=Q/ К_op*?t_cp

F_op= 473/250*18,2= 34,43 м².

З величини F = 34,43 м² слідує, що зпроектований холодильник може бути одиночним кожухотрубним апаратом. Тому можемо використовувати як апарати типу ХН, так і типу ТН.

Для забезпечення інтенсивного теплообміну спробуємо підібрати апарат з турбулентним режимом течії теплоносіїв. Воду направимо в міжтрубний простір, тому що вона не дає забруднення, мелясу - в трубний простір. В теплообмінних трубах O 25х2 мм холодильниках згідно з ГОСТ 15120-79 швидкість току води при R_e2 > 10000 повинна бути більшою за:

w₂' =R_e2?₂/d₂ ?₂= 10000*8,7*10^-3/0,021*1000=4,14 (м/с),

де ?₂ = 8,7*10^-3 (Па*с) - в'язкість води при t₂=30 (⁰C) .При цьому переріз трубного простору повинен бути меншим за:

S₂=V₂/w₂'=0,00047/4,14=0,000114 (м²)

Кожухотрубний холодильник найменшого діаметра 800 з числом труб 465 має S_т=16,1*10^-3 і підходить для наших цілей.

Швидкість і критерій Рейнольдса для води:

W₂=V₂/S₂=V₂/0,785nd²₂=0,00047/0,000114*465*0,021² =0,845 (м/с),

де n=465 - число труб (ГОСТ 15120 - 79);

R_e2= w₂d₂ ?₂/ ?₂=0,845*0,0021*1000/0,801*10^-6 =2,22*10⁶

Швидкість і критерій Рейнольдса для меляси:

W₁=V₁/S₁=0,00047/7,9*10^-2=0,059 (м/с)

R_e1= w₁d₁ ?₁/ ?₁=0,059*1159*0,025/0,26*10^-6=6,6*10⁶

де S₁=7,9*10^-2 - переріз міжтрубного простору,м².

Для теплового розрахунку приймемо орієнтовне значення t_ст1=20, t_ст2=30. А) Коефіцієнт тепловіддачі для меляси при Re>2300 використаємо співвідношення:

Nu'₁=0,008Re ^0,9Pr ^0,43=0,008*6,6^0,9*10^5,4(1,33*10^-5)^0,43=10855

?'₁= Nu'₁*?₁/d₁=0,07*0,4/0,025=1,21 (Вт/м²*К)

Б) Коефіцієнт тепловіддачі для води. При Re >2300 використаємо:

Nu'₂=0,008Re ^0,9Pr ^0,43=0,008*2283^0,9(1,33*10^-5)^0,43=0,083

?₂= Nu'₂*?₂/d₂=0,083*0,67/0,0021=264 (Вт/м²*К)

Визначимо середню температуру пограничного шару:

t₂=0,5(tст2+t2)=0,5(20+30)=25 (⁰С)

Фізичні властивості води при t₂=25 (⁰С): ?₂=997 кг/м3 ?₂= 902*10^-6 Па*с, ?₂=62 *10^-2 Вт/м*К, с₂=4,185 кДж/кг*К, ?₂=2,515*10^-4 К^-1

Pr'= с₂ ?₂/ ?₂=6,09*10^-7

Gr'=(gd₂³ ?₂²/ ?₂³) ?₂ t₂=6.29*10^-7

(Gr'*Pr') =3,83*10^-16< 8*10⁵

Для визначення Nu₂ при (Gr'*Pr') < 8*10⁵ скористаємося рис 2.1.

Рис 2.1 Залежність Nu/Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25 від критерія Рейнольдса при значенні (Gr'*Pr') < 8*10⁵

При Re= 2883: Nu/Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25=5,8,звідки

Nu₂'=5.8Pr₂^0.43(Pr/Pr_ст2)^0,25=5,8*(6,09*10^-7)^0,43(6,09*10^-7/5,8*10^-7)^0,25 =0,07

?'₂= Nu₂' ?₂/d₂=0.07* 62 *10^-2/0.021=2.06

Коефіцієнт теплопередачі:

0,762 (Вт/м²*К).

Поверхнева щільність теплового потоку:

q'=K*?'t_ст=0,762*18,2=13,86 (Вт/м²)

Уточнимо значення t_ст1і t_ст2:

t_ст1=t₁- ? t₁= t₁-q/ ?₁= 50-13,86/1,21=38,54 (⁰С)

t_ст2=t₂+ ? t₂= t₂ +q/ ?₂= 30 +13,86/2.06=36,7 (⁰С)

Розрахункова площа поверхні теплопередачі:

F'_р=Q/q=68.86/13,86= 4.9 (м²)

З запасом 10% маємо: F_р=5,46 (м²).Приймемо за шукану установку апарат довжиною труб 2 м (ГОСТ 15120 -79).Площа поверхні теплообміну одного апарата по середньому діаметру труб:

F=?d_cpnL=3,14*0,023*62*2=8,95 (м²)

Необхідне число апаратів:

N=F_p/F=5,46/8,95=0,6?1

Запас поверхні при цьому складає:

2.2 Конструктивний розрахунок апарату

Площа перерізу усього потоку продукту (площа перерізу пучка труб) f, (м2):

(м2), (2.16)

Кількість труб n1 у трубному пучці:

(2.17)

приймається n1= 5 теплообмінних труб в каждому ході по трубному простору.

Уточнене значення швидкості руху продукту w,(м/с):

. (2.18)

Розрахункова довжина однієї трубки в трубному пучку L, (м):

(м). (2.19)

Кількість ходів теплообмінника z:

, (2.20)

приймається z = 2 ходи по трубному простору кожухотрубного теплообмінника. Необхідна кількість теплообмінних труб в трубній решітці n: n=zn1=25=10 труб. (2.21)

Діаметр трубної решітки Dр, (мм):

(мм),(2.22)де ? ^{1 - коефіцієнт заповнення трубної решітки (}? ^{1 = 0,6 ... 0,8 для багатоходових по трубному простору теплообмінних апаратів);}

^{? - кут, який утворюється центральними лініями трубних рядів з горизонталлю (? = 60 ... 700).}

Внутрішній діаметр кожуха теплообмінника D, (мм):

D=t(b-1)+4d=38,54(5-1)+225=204,16(мм), (2.23)

приймається для виготовлення кожуха труба 240.5мм.

Живий переріз міжтрубного простору fмт, (м2):

fмт=0,785((D-2s) 2-nd 2)= 0,785((0,240-20,005)2-100,0252)=0,183(м2) (2.24)

По рівнянню об'ємних витрат V,(м/с3):

, (2.25)

визначаються діаметри патрубків d, м, для робочих середовищ:

(2.26)

Діаметр патрубка для входу води в апарат, dп, (м):

(м).

Діаметр патрубка для виходу нагрітої води з апарату, dк, (м):

(м).

Діаметр патрубка для входу продукту в апарат, dвх, (м):

(м).

Діаметр патрубка для виходу продукту із апарату, dвих, (м):

(м).

2.3 Гідравлічний розрахунок апарата

кожухотрубний теплообмінник конструктивний гідравлічний

Повний гідравлічний опір теплообмінного апарату, Р (Па):

(2.27) де - коефіцієнт гідравлічного тертя; _м - коефіцієнт місцевого опору.

Для ізотермічного ламінарного руху в гідравлічних трубах:

(2.28) де - абсолютна шорсткість поверхні труб (для чистих цільних труб =0,0015…0,01 мм відповідно до [6]),

Сума коефіцієнтів місцевих опорів г в апараті:

, (2.29) де _i - коефіцієнти місцевих опорів (вхідна та вихідна камери ₁=1,5, вхід в труби і и вихід з них ₂=1, поворот на 1800 між ходами ₃=2,5 відповідно до [6]).

(Па)

Потужність приводу насоса N, (Вт), необхідна для переміщення продукту по трубному простору теплообмінного апарату:

(Вт) (2.30) де V - об'ємна витрата продукта, м³/с; - коефіцієнт корисної дії насоса.

N= (Вт).

2.4 Розрахунок витрат на процес

Визначаємо амортизаційні витрати за формулою

,

де F - поверхня теплообміну, м²

С_F - вартість 1 м² поверхні теплообміну апарату, грн/м²;

а - річна частка амортизаційних відрахувань, %.

грн/год

Енергетичні витрати з формули

,

де N - встановлена потужність електродвигуна насосу кВт;

С_е - вартість 1 кВт·год електроенергії, грн/(кВт·год);

? - кількість годин роботи теплообмінника в році.

грн/год

44. Сумарні витрати на процес

грн/год

Висновок

Даний курсовий проект являє собою комплекс розрахунково-графічних робіт, з конструювання, вибору кожухотрубного теплообмінника і підбору допоміжного обладнання до нього для проведення технологічних процесів у виробництві лимонної кислоти.

Спроектований на підставі розрахунків і підборів двохходовий кожухотрубний теплообмінний апарат дозволяє проводити необхідні процеси з заданими параметрами.

У ході проведення проектних і розрахункових робіт (конструктивний розрахунок, гідравлічний розрахунок, розрахунок на міцність) обрані конструктивні одиниці, підтверджена механічна надійність, економічно-обгрунтований вибір (матеріал труб, довжина і т. д.), конструктивну досконалість апарату. Ці фактори є основними для високопродуктивної, безперебійної роботи обладнання в промислових умовах.

Список використаної літератури

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. ч.1, М., Химия, 1995

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. ч.2, М., Химия, 1995

3. Л.В. Теплообменные аппараты и методы их расчета:учебное пособие / Л.В. Таранова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - 152 с.

4. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов хмимческой технологии: Учебник для техникумов. -Ленинград: Химия 1991- 352с., ил.

5. Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.:Химия: 1987 -576.с

6. Романков П.Г., Курочкина М.И., Мозжерин Ю.Я. Процессы и аппараты химической промышленности - Л., Химия, 1989 - 560 с.

7. Справочник по теплообменникам, М.Химия, 1982. 328 с.

Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств / Под ред. В.Н. Стабникова. -- К.: Вища школа, 1982

8. Стабников В.Н., Лисянский В.М., Таранова Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. М.:Агропромиздат, 1985.

9. Фраас А., Оцисик М.,Расчет и конструирование теплообменников,перев. с англ. М.:Атомиздат 1971

Размещено на allbest.ru