Расчет теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский Государственный Аграрный Университет имени Н.И. Вавилова

Кафедра: Процессы и аппараты пищевых производств

Факультет Пищевых технологий и товароведения

Курсовая работа

Тема: Расчет теплообменного аппарата



Исходные данные к курсовой работе

Количество охлажденного продукта G (кг/ч) 3400

Начальная температура продукта t1H (C) 78

Конечная температура продукта t2K (C) 20

Начальная температура рассола t2H (C) -12,8

Количество соли в продукте (%) 19



ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

При проектировании теплообменников их тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена F при известных расходах, начальной и конечной температурах теплоносителей.

Для действующих теплообменных аппаратов выполняют поверочные тепловые расчеты, в которых возможная производительность аппарата сопоставляется с фактической и определяются условия, соответствующие оптимальному режиму работы теплообменника. Ниже рассмотрена общая методика технологических расчетов при проектировании теплообменников.

Тепловые расчеты, производят совместно с гидравлическими и конструктивными и на основе всех этих расчетов подбирают наиболее подходящие стандартные или нормализованные конструкции теплообменных аппаратов. Выбранная конструкция должна быть по возможности оптимальной -- сочетающей интенсивный теплообмен с низкой стоимостью, надежностью, дешевизной и удобством эксплуатации.

До проведения собственно расчета теплообменников следует установить целесообразность направления одного из теплоносителей в трубное, а другого -- в межтрубное пространство аппарата. Выбор пространства для движения теплоносителя в поверхностном теплообменнике любого типа производят, исходя, из необходимости улучшить условия теплоотдачи со стороны теплоносителя с большим термическим сопротивлением. В трубное пространство целесообразно направлять также теплоносители, содержащие твердые взвеси и загрязнения, с тем чтобы облегчить очистку поверхности теплообмена, теплоносители, находящиеся под избыточным давлением (по соображениям механической прочности аппарата), и, наконец, химически активные вещества, так как в этом случае для изготовления корпуса теплообменника не требуется дорогого коррозионностойкого материала.

Следует учитывать также, что при направлении нагревающего теплоносителя в трубы уменьшаются потери тепла в окружающую среду.

Принимая направление взаимного движения теплоносителей, учитывают и преимущество противотока при теплообмене без изменения агрегатного состояния, а также целесообразность совпадения направлений вынужденного и свободного движения теплоносителя (например, при движении нагреваемой среды снизу вверх).

Скорости теплоносителей в выбранном аппарате должны обеспечивать благоприятное сочетание интенсивного переноса тепла и умеренного расхода энергии на перемещение теплоносителя. При этом желательно, чтобы теплообмен происходил в условиях турбулентного режима течения теплоносителей при развитом турбулентном движении (Re 104) или близком к нему.

При тепловой обработке многих пищевых продуктов, например теста, молока, сахарных растворов, изменяются их физико-химические свойства, что вызывает, в свою очередь, изменение условий теплопередачи.

Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя разность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменной аппаратуры). Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи

dQ = K F tср d (1)

которое для установившегося процесса имеет вид

Q = K F tср (2)

где dQ -- количество переданной теплоты;

К -- коэффициент теплопередачи между средами;

F-- площадь поверхности теплообмена;

tср -- разность температур между средами -- движущая сила процесса;

d - продолжительность процесса.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты (в кДж) передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности температур между теплоносителями 1 град.

Площадь поверхности теплообмена (теплопередачи) аппарата определяется по формуле

F = (3)

Чтобы воспользоваться уравнением (3), необходимо знать количество переданной теплоты, которое определяется из теплового баланса, среднюю разность температур и коэффициент теплопередачи между средами.

Наибольшую трудность представляет расчет средней разности температур между теплоносителями, которая определяется по начальным и конечным температурам теплоносителей и осложняется продольным перемешиванием теплоносителей, а также определение коэффициента теплопередачи, который зависит от режима движения теплоносителей, а также от условий, в которых протекает теплопередача.

Передача теплоты может осуществляться теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.

жидкость насос теплообменник давление

Устройство теплообменной аппаратуры

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического назначения.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1. Поверхностные, где перенос тепла между рабочими средами
осуществляется через твердую стенку, разделяющую их. При этом
непосредственный контакт между средами исключен.

2. Смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Рис. 1. Кожухотрубный теплообменник 1 ? корпус; 2 ? трубная решетка; 3 ? греющая труба; 4 ? патрубок; 5 ? днища; 6 ? опоры; 7 ? болт; 8 прокладка; 9 ? обечайка

Поверхностные теплообменники наиболее распространены. По конструкции их можно подразделить на кожухообразные, типа "труба в трубе", погружные, оросительные, с плоскими поверхностями нагрева и т.д.

Рассмотрим некоторые основные конструкции. Кожухотрубные теплообменники.

Теплообменник (рис.1) представляет собой пучок труб, помещенных в цилиндрическом корпусе 1 (кожухе). Пространство между трубками 3 и боковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Трубки завальцованы (закреплены) или приварены к трубным решеткам 2. К фланцам корпуса крепятся крышка и днище 5, имеющие патрубки 4 для подвода и отвода рабочей жидкости Ж2. На корпусе также имеются патрубки 4 для подвода и отвода рабочего тела Ж1. Трубки обычно имеют диаметр d 10 мм и изготовляются из материалов, хорошо проводящих тепло. Большим недостатком одноходовых теплообменников, предназначенных для нагревания или охлаждения жидкостей, является несоответствие между пропускной способностью пучка трубок и площадью теплообмена. Так, трубка диаметром 20 мм при скорости потока 1 м/сек может пропустить около 1000 л/час жидкости; при этом площадь поверхности трубки при обычной длине 3,5 м составляет всего около 0,2 м2, что явно недостаточно для существенного подогрева такого большого количества жидкости. Поэтому приходится уменьшать скорость движения жидкости в трубке, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Этот недостаток можно устранить в первую очередь путем группировки труб в отдельные пучки (ходы) и устройства соответствующих перегородок. В этом случае мы достигаем эффекта не за счет снижения скорости потока, а в результате увеличения его пути в несколько раз.

Такой теплообменник называется многоходовым (рис.2 а). Здесь рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно через все пучки труб.

При небольшом числе ходов (два?три) перегородки делают по хордам, при большем ? радиально или концентрически. Конструктивно удобнее устраивать четное число ходов, но не более 16. Если в межтрубном пространстве теплоносителем является жидкость, то для увеличения ее скорости также устраивают перегородки ? продольные и поперечные. Продольные перегородки делят межтрубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное. Эти перегородки обеспечивают принцип противотока рабочих тел. Перегородки установлены параллельно трубкам и не достигают противоположной трубной решетки. Большое число перегородок не рекомендуется из?за трудности уплотнения их стыков с трубными решетками.

Поперечные перегородки бывают перекрывающие и неперекрывающие. Перекрывающие перегородки пересекают все межтрубное пространство, оставляя вокруг каждой трубки кольцевую щель шириной около 2 мм. Расстояние между перегородками обычно 100 мм. Рабочее тело протекает через кольцевые щели с большой скоростью. При этом в промежутках между перегородками образуются турбулентные завихрения, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

а) б)

Рис. 2. Схема многоходового теплообменника

Такие перегородки неприменимы, если жидкости могут выделять осадок, т.к. узкие щели легко им забиваются. Не перекрывающие перегородки (рис.2 б ) выполняют, например, с проходом в виде сектора или сегмента.

Двухходовый теплообменник часто выполняют с U?образными трубками, открытые концы которых завальцованы в одну и ту же трубную решетку (рис.5.7). При запуске в работу теплообменников нужно обращать внимание на направление движения рабочих тел. Горячая (охлаждаемая) жидкость должна опускаться (подача сверху), а холодная ? подниматься. В этом случае принудительное движение совпадает с естественным. Теплообменники "труба в трубе"

Такие теплообменники применяют при небольших расходах рабочих жидкостей и высоких давлениях. Они составляются из нескольких последовательно соединенных элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис.5.8). Каждый элемент состоит из 2?х труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно. При этом трубы соединяются с трубами, а кольцевые пространства с кольцевыми пространствами. Достоинством таких теплообменников является соблюдение противотока, что обеспечивает наиболее полное использование теплоносителя. Они позволяют достигать довольно высоких скоростей жидкости в диапазоне 1?1,5 м/с, что уменьшает возможности отложения загрязнений на поверхности теплообмена и увеличивает значения коэффициентов теплоотдачи. Отметим, что эти теплообменники более громоздки, по сравнению с кожухотрубными, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена.



Погружные трубчатые теплообменники Они имеют вид (Рис.) змеевика 1, погруженного в аппарат 2, заполненный жидкостью. Коэффициент теплопередачи в них невелик, т.к. жидкость снаружи змеевика движется только под действием свободной конвекции. Обычно и внутри трубок скорость движения рабочего тела невелика. Поэтому для интенсификации процесса необходимо применять мешалки, т. е. использовать вынужденную конвекцию. Обычно змеевики применяются там, где не требуется подводить большое количество тепла или в качестве дополнительной поверхности (наряду с рубашкой).

Оросительные теплообменники

Такой теплообменник представляет собой трубу 2 с прямоугольными витками, соединенные коленами 3, закрепленные на стойке 4. Охлаждаемая жидкость вытекает из распределительного желоба 1 на наружную поверхность верхнего витка трубы и затем последовательно стекает на нижерасположенные и в сборный желоб 5. Жидкость, омывающая трубки, нагревается или охлаждается в зависимости от температуры среды, протекающей внутри. Недостатки оросительных теплообменников: громоздкость и неравномерность смачивания наружной поверхности труб. Как правило, они располагаются вне помещения. Теплообменники этого типа применяются в холодильной технике в качестве конденсаторов, работающих при высоких давлениях хладоагента, для охлаждения пива, молока и других жидкостей. Они работают при небольших тепловых нагрузках и имеют невысокие коэффициенты теплоотдачи.



Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева К этому типу относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.

Оребрение поверхности производится с той стороны, где меньше значение коэффициента теплоотдачи. Это делается для создания большей поверхности контакта стенки с рабочей средой. Ребристый теплообменник для нагревания или охлаждения называется калорифером (рис.5.11). Он представляет собой две коробки I, плоскости которых соединены рядом трубок 2, имеющих наружную ребристую поверхность. Через входной патрубок поступает вода (пар), которая заполняет коробки I и трубки 2. Через выходной патрубок вода (конденсат) отводится. Между ребрами трубок проходит воздух (газ), поток которого ограничен с боковых стенок калорифера плоскими листами.

Калориферы могут соединяться в батареи параллельно или последовательно. Ребристые калориферы изготовляются различных размеров, они отличаются числом трубок, их длиной и т.д.

Скорость воздуха определяют в зависимости от его расчетного расхода и живого сечения межтрубного пространства (« 40%). Зная скорость воздуха и температуру теплоносителя, находят коэффициенты теплопередачи по графикам и номограммам для каждого типа калорифера. Эти графики обычно приводятся в каталогах калориферов; там же указывается гидравлическое сопротивление, необходимое для расчета вентилятора.

Теплообмен в рубашках реакционных аппаратов

Жидкость, находящаяся внутри аппарата, получает заданное количество тепла путем свободной конвекции или вынужденной при принудительном перемешивании мешалкой. При паровом обогреве пар, находящийся в рубашке, конденсируется на вертикальной и сферической поверхностях, а при обогреве жидкостью происходит обтекание цилиндра.

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТЫ ОСУЩЕСТВЛЯЮТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ ПОРЯДКЕ

1 Определение расхода охлаждающей жидкости

Взаимное направление движения потоков в теплообменнике во всех вариантах задания принять противоточным.

Расход охлаждающей жидкости (кг/с) определить из уравнения теплового баланса.

G2C2 (t2K-t2H)=G1C1 (tH-tK) откуда

G2 == (1)



где С1 и С2 -- теплоемкости молока и рассола соответственно, Дж/(кг С).

С1=3863,5Дж/(кг С)

С2=3427,4 Дж/(кг С)

Теплоемкости жидкостей принять по средней температуре. Недостающие значения определить экстраполяцией.

Средние температуры (С) жидкостей определять по формулам:

- для молока t1ср == (2)

- для рассола t2ср == (3)

Температуру t2K следует принять выше начальной температуры t2H на 10- 15 С

Таблица №1 Теплофизические свойства молока

Температура t, 0C	Плотность с, кг/м3	Удельная теплоемкость с, кДж/(кг К)	Коэффициент теплопроводности л, Вт/(мК)	Коэффициент динамической вязкости, ?104, Па*с
49	1017,4	3,8635	0,5739	8,69

Таблица №2 Теплофизические свойства рассола

Количество соли в растворе, %	Температура t, 0C	Плотность с, кг/м3	Удельная теплоемкость с, кДж/(кг К)	Коэффициент теплопроводности л, Вт/(мК)	Коэффициент динамической вязкости, 104, Па*с
19	-5	1141,6	3,4274	0,541	31,45

Определение средней разности температур

Для определения средней разности температур между средами необходимо вычислить большую tб и меньшую tM разности температур:

tб = t1H-t2K =78-2,8=75,2 (С)

tM = t1K-t2H =20-(-12,8)=32,8(С) (4)

tб/tM=75,2/32,8=2,29>2

Отсюда средняя разность температур (?С) в общем случае определяется как среднелогарифмическое из крайних значений разностей температур;

==22,2 оС (5)

Определение диаметров труб теплообменника

Рассол движется по внутренней трубе, а молоко в межтрубном пространстве.

Из уравнения расхода охлаждающей жидкости определить внутренний диаметр (dB, м) меньшей трубьг.

dB =1,13= (6)

Принимаем по ГОСТ 9930-78 теплообменную трубу с диаметром, ближайшем к рассчитанному. Рекомендуется принимать теплообменные трубы с наружным диаметром 25, 38, 48, 57, 70, 76, 90, 108, 133, 159 мм.

Принимаем dн=70Ч3

Проведем пересчёт скорости:



= (6-а)

Из уравнения расхода охлаждаемого молока определить внутренний диаметр большой трубы, м:

DB == (7)

где 1, 2 -- соответственно скорости движения жидкостей в межтрубном и трубном пространствах, принимаемые в пределах (0,7 -- 1,2 м/с);

Принимаем Dн=90Ч5

Проведем пересчёт скорости:

= (7-а)

1, 2-- соответственно плотности (кг/м3) молока и рассола, принимаемые по таблицам.

1= 1017,4 (кг/м3);

2= 1141,6 (кг/м3);

Окончательные внутренние диаметры труб принять из таблицы.

dв = 64 мм.

Dв = 80 мм.

Определение коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи (К, Вт/м2*К) определяется с учетом термического сопротивления загрязнения со стороны охлаждающей жидкости:

К = (1/1+1/2+RCT)-1 (8)

где 1, 2 - соответственно коэффициенты теплопередачи от греющего теплоносителя к стенке трубы и от стенки к нагреваемой жидкости, Вт/ (м2 К);

RCT - термическое сопротивление стенки трубы Вт/(м2 ?С);

RCT = СТ/СТ+ЗАГ/ ЗАГ =

где СТ, ЗАГ -- толщина металлической стенки трубы и загрязнения, м;

(ЗАГ принять 0.5-- 1 мм);

СТ, ЗАГ,--коэффициент теплопроводности, Вт/(м ?С);

(стали = 46,5)

Величину термического сопротивления загрязнения ЗАГ/ ЗАГ для холодильных рассолов, из которых откладывается загрязнение на поверхности теплообмена принять равной 0,0002 м2 Вт/°С.

Определение коэффициентов теплоотдачи

Величина коэффициентов теплоотдачи зависит от гидродинамических факторов, их физических параметров, геометрических размеров поверхности теплообмена и представляет собой сложную функциональную зависимость, реализуемую с помощью теории подобия из критериального уравнения Нуссельта, характеризующего интенсивность теплообмена в Вт/ (м2 ч)

Nu = (9)



Откуда 1,2=

Если оба теплоносителя являются жидкостями и движение является вынужденным (например, насосная подача), критерий Нуссельта является функцией критериев Рейнольдса и Прайдля:

Nu = f (Re; Rr)

В этом случае сначала необходимо определить критерии Рейнольдса и Прандля для обоих сред

Для продукта:

Re1 = ==9132-режим переходной (10)

Pr1 = = (11)

Для рассола:

Re2 = = -режим турбулентный

Pr2 = =

где - скорость движения среды по трубам м/с;

- коэффициент динамической вязкости жидкости, Па с.

Для продукта: 8,69?10-4 (Па?с)

Для рассола: 31,45?10-4 (Па?с)

d -- эквивалентный диаметр трубы, м;

для внутренней трубы d1 = dB=0,064 м.

для кольцевого сечения d2 = DB-dH = 0,080-0.070=0,01 м.

C - коэффициент теплопроводности жидкости (рассол, молоко). Вт/ (м. С).

Затем по установленному режиму движения решить, критериальное уравнение Нуссельта

а) для трубного пространства так как (Rе> 10000)

Nu2 = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,023?25089,70,8?20,430,4 = 254,39 (12)

б) для межтрубного пространства так как (10000>Re>2300)

Nu1 = 0,008 Re0,9 Рr0,43 = 0,008?91320,9?5,850,43 = 62,73(13)

Для соответствующих режимов движения, используя критериальное значение Nu определяются искомые коэффициенты теплоотдачи, Вт ( м2 ?С) для рассола и молока.

Для продукта

= Вт ( м2 С) (14)

Для рассола:

= Вт ( м2 С)

Коэффициент теплопередачи (К, Вт/м2*К) определяется с учетом термического сопротивления загрязнения со стороны охлаждающей жидкости:



К = (1/1+1/2+RCT)-1= (8)

Определение, поверхности теплообмена и основных размеров теплообменника

Поверхность (F, м2) теплообмена определяется из уравнения теплопередачи и равна

F = = (15)

Q = G1 C1 (t1H-t1K) =0,94?3863,5?(78-20)=210638,02 (Вт)(16)

Где Q-- количество тепла, отнимаемого от молока, Вт;

С1 -- теплоемкость молока, Дж/(кг °С).

Окончательно поверхность теплообмена теплообменника выбирается из ряда

F = 2,5; 4,0; 6,0; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 80 м2

F = 10 м2

Активная длина труб (м), участвующих в теплообмене

L = = (17)

Принимаем L=50 м

где dР -- расчетный диаметр, м;

Расчетный диаметр принимают:

dР = dВ при 1 2 (18)



dР = 0,5 (dB + dH) при 1 2;

dР = dH при 1 2

1 2 (3600,082096,33)

dР = dВ =0,064(м)

Исходя из конструктивных соображений, длиной одного элемента задаются и тогда общее число элементов (шт.) составит:

= 50/5 = 10 (шт.) (19)

Определение диаметров патрубков

Диаметры (dП, м) входных и выходных патрубков для кольцевого сечения определяются по формуле:

dП = 1,13 = (20)

Диаметры патрубков для внутренней трубы равен ее внутреннему диаметру.

Гидравлический расчет теплообменника

Целью гидравлического расчета является определение величины гидравлических сопротивлении теплообменника и определение мощности потребляемого двигателями насосов для перемещения молока и рассола.

Для расчета гидравлических сопротивлений в теплообменнике исходными данными являются ранее определенные:

-- число элементов в секции,

-- число секции,

-- общая длина труб.

Далее стрелками показывают схему движения жидкостей в теплообменнике

Определяют характер и число местных сопротивлений;

Расчет ведут дважды, для трубного и межтрубного пространства отдельно.

Полная потеря давления в теплообменнике (Р, Па) подсчитывается по уравнению:

Р = РСК + РТР + РМС + РПОД (21)

Для продукта:

Р = РСК + РТР + РМС + РПОД=309,5+409,5+3466,32+0=4185,32(Па)

Для рассола:

Р=РСК+РТР+РМС+РПОД= 665,78+681,4+5992,02+12207=19546,2 (Па)

где - РСК -- затрата давления на создание скорости потока на выходе из теплообменника, (н/м2);

РТР -- потеря давления на проводнике сопротивления трения, (н/м2):

РМС -- потеря давления на преодоление местных сопротивлении (н/м2);

РПОД -- затрата давления на подъем жидкости, (н/м2).

Затрата давления на создание скорости потока, (н/м2).

РСК = (22)



Для продукта:

РСК = =

Для рассола:

РСК = =

где скорость жидкости на выходе из аппарата, м/с;

плотность жидкости, кг/м3.

Потеря давления на преодоление сил трения, н/м2.

РТР = (23)

Для продукта:

РТР = =

Для рассола:

РТР = =

где L -- общая длина труб, м:

dЭКВ -- эквивалентный диаметр, м;

Коэффициент трения, зависящий от режима движения (число Re); и от степени шероховатости стенок груб (в расчете принять ? = 0,02--0,03).

РМС = (24)

Для продукта:

РМС = =

Для рассола:

РМС = =

где о -- сумма коэффициентов местных сопротивлении.

Затрата давления на подъем жидкости:

РПОД = g H (25)

Для продукта:

РПОД = 1 g H=1017,4?9,81?0=0 (Па).

Для рассола:

РПОД = 2 g H=1141,6?9,81?1,09=12207(Па).

где g -- ускорение свободного падения, м/с2;

плотность жидкости, кг/м3

Н -- высота подъема жидкости, м

= 0,25?(5-1)+0,09=1,09(м).



hi - 200 400(мм).

Мощность, потребляемая двигателем насоса, (N, кВт);

N = (26)

Для продукта:

N1 = =

Для рассола:

N2 =

где -Q -- расход жидкости, кг/с;.

Плотность, кг/м3

Р -- потеря давления в аппарате, н/м2;

к. п. д. насоса (центробежный --0,6--0,7).



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. М.: Колос, 2000. - 551 с. (Учебники и учеб. Пособия для студентов высших учебных заведений).

Курсовое проектирование по теплотехнике и применению теплоты в сельском хозяйстве: Учеб. пособие для вузов / Драгунов Б. Х., Ковалев С. А., Лазоренко В. а. и др.; Под ред. Драгунова Б. Х. - М.: Агропромиздат, 1991. - 176 с.: ил.

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

Павлов К. Ф., Романков П. г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических технологии. Л.: Химия, 1981. 560 с.

Машины и аппараты пищевых производств. В 2кн. Кн.2: Учеб. для вузов/ С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков и др .,: Под ред. акад. РАСХН В. А. Панфилова. - М.: Высш. шк., 2001. - 680 с.: ил.

Справочник машиностроителя. Т. 2. М.: Машгиз. 1954. 559 с.

Размещено на Allbest.ur