Расчет теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Назначение. Теплообменник применяется для охлаждения/пастеризации продуктов питания и представляет трубчатый теплообменник. Применяется для теплообмена между технологическими средами в различных отраслях промышленности.

Устройство. В межтрубном пространстве циркулирует хладогент или теплоноситель. Охладитель/пастеризатор применяется в широком диапазоне температур и расходов. Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы.

Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство.

Преимущества двухтрубного теплообменника:

· высокий коэффициент теплоотдачи,

· пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении,

· простота монтажа и обслуживания.

Надежность работы теплообменников, изготовленных по типу труба в трубе, удобство их эксплуатации основано на таких факторах как:

§ компенсация температурных деформаций;

§ плотность и прочность разъемных фланцевых соединений;

§ удобство при техническом обслуживании агрегата.

Теплообменник типа труба в трубе, принцип работы которого основан на постоянном контакте теплоносителя с обрабатываемой жидкостью, используется в технологических системах нагревания или охлаждения теплоносителя с небольшой поверхностью теплообмена на предприятиях газовой, нефтяной нефтехимической и химической, а так же в пищевой промышленности, например в виноделии или при производстве молочных продуктов. Основным элементом теплообменника данного типа, является устройство, которое состоит из двух труб, имеющих разный диаметр. Значительная разница в диаметре позволяет вставить одну трубу в другую по продольной оси, оставляя промежуток между стенками труб для свободного перемещения теплоносителя. Подключение к системе обеспечивает постоянный пропуск противотоком обрабатываемого продукта и горячей воды, пара или холодного рассола.

Надежность работы теплообменников, изготовленных по типу труба в трубе, удобство их эксплуатации основано на таких факторах как:

§ компенсация температурных деформаций;

§ плотность и прочность разъемных фланцевых соединений;

§ удобство при техническом обслуживании агрегата.



Задание на курсовую работу

нагревание теплообменник охлаждение жидкость

Выполнить тепловой расчет теплообменника « труба в трубе» для нагревания (охлаждения) G, кг/с продукта от начальной температуры t_н, °С до конечной t_к, °С. Нагревание (охлаждение) производится жидким теплоносителем с начальной температурой _н, °С; диаметр внутренней трубы теплообменника dх, мм. Диаметр наружной трубы и конечную температуру второго теплоносителя принять самостоятельно.

Исходные данные.

Номер задания	Продукт	G, кг/с	tн, °С	tк, °С.	Теплоноситель	н, °С	dх, мм
5	Молоко	0, 5	90	18	Вода	10	25х2, 5

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» собирают из секций соединенных между собой последовательно и параллельно (рис.1). Каждая секция состоит из трубы большого диаметра 1, внутри которой находятся одна или несколько труб меньшего диаметра 2. Один теплоноситель проходит в кольцевом зазоре между большой и малыми трубами, а другой теплоноситель протекает по внутренним трубам. При этом теплообмен между теплоносителями происходит теплопередачей через поверхность внутренних труб. В зависимости от схемы движения теплоносителей теплообменники подразделяют на прямоточные и противоточные.

1.Выберем схему движения теплоносителей- противоток.

Уравнение теплового баланса теплообменного аппарата имеет вид:



Q₁ = Q ₂+Q,

где:Q₁ - количество теплоты, отдаваемое горячим тепло носителем в единицу времени, Вт;

Q₂ - количество теплоты, воспринимаемое холодным теплоносителем в единицу времени, Вт;

Q - тепловые потери в окружающую среду, Вт.

2. Определим недостающие параметры для охлаждающей воды.

Тепловую нагрузку Q₁ определяем из уравнения теплового баланса:

Q₁=с_р1*G₁(t_н- t_r), где:

с_р1- удельная изобарная теплоемкость молока при средней температуре молока, равной t_ср =0, 5(t_н+ t_r)=0, 5( 90+18)=54°С с_р1=3, 975 кДж/(кг*К)

(см. табл. 1 по материалам http://thermalinfo.ru/svojstva-produktov/molochnye-produkty/svojstva-moloka-plotnost-vyazkost-teploprovodnost-i-teploemkost)

G₁=0, 5 кг/с- расход горячего теплоносителя (молоко);

t_н- t_r=90-18=72°С- разность температур горячего теплоносителя (молоко).



Таблица 1. Теплофизические свойства молока

Q₁=3, 975*0, 5*72=143, 1 кДж/с=143, 1кВт

Согласно рекомендациям методических указаний (раздел 2.1, п.2) примем потери тепла в окружающую среду Q=0, 04 Q₂(4%).

Тогда Q₂ составляет Q₁/1, 04= 137, 6 кВт

Потоки распределим следующим образом: горячее молоко- в малой трубе, охлаждающая вода- в большей трубе.

Примем диаметр наружной трубы аппарата и толщину стенки соответственно 57х4.

Диапазон рекомендуемых скоростей теплоносителя для жидкости принимается в интервале w=0, 5…3 м/с.

Площадь поперечного сечения для молока составляет:

f₁= (d-)²/4=0, 000314 м²=3, 14 см²

Плотность молока при его средней температуре t_ср =54°С составляет

₁=1013кг/м³.

Объемный расход молока V₁=0, 5/1013=0, 0004 м³/с

Скорость w₁= V₁/f₁=0, 0004/0, 000314=1, 2738 м/с -попадает в разрешенный диапазон, то есть нет необходимости, располагать 2 или более секции аппарата параллельно - аппарат примем однопоточным.

Задаемся предварительно температурой охлаждающей воды _к=30°С на выходе из аппарата, тогда средняя температура охлаждающей воды _ср=0, 5(_н+_к)=0, 5(10+30)=20°С,

при этом значении с_р2=4, 183 кДж/(кг*К), ₂=998, 2 кг/м³.

Расход G₂ охлаждающей воды определим из уравнения теплового баланса Q₂=с_р2*G₂(_к-_н)= 137, 6 кВт,

G₂=

G₂== 1, 645 кг/с

Объемный расход охлаждающей воды V₂=1, 645/998, 2=0, 0016м³/с

Площадь поперечного сечения кольцевого канала для прохода охлаждающей воды определяют по формуле:

f₂= -

где D=57-4*2=49 мм=0, 049м- внутренний диаметр наружной трубы;

d=25 мм= 0, 025 м - наружный диаметр внутренней трубы.

f₂= -=0, 00139 =13, 9 см²

Скорость охлаждающей воды составляет

w₂= V₂/ f₂=0, 0016/0, 00139=1, 151 м/с- попадает в разрешенный диапазон.

Таким образом, недостающие значения: G₂=1, 645 кг/с, _к=30°С,

размеры большой трубы 57х4.

3. Далее требуется определить конструктивные размеры теплообменника, в частности поверхность теплообмена F, которая определяется из формулы:



Q₂=K*F*t_ср, Вт.

Здесь Q₂=137600 Вт - количество тепла, сообщаемое холодному теплоносителю,

К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К), t_ср- средняя разность температур теплоносителей (движущая сила процесса).

Средняя разность температур теплоносителей t_ср вычисляется по формуле:

t_ср=,

где t_б и t_м - большая и меньшая разность температур на концах теплообменника, °С.

При противотоке:

t_б= t_н-_к=90-30=60°С

t_м= t_к-_н =18-10=8°С

t_ср==25, 81°С.

Коэффициент теплопередачи через стенку тонкостенной трубы при условии d_нар/d_вн < 2 можно рассчитывать по формулам теплопередачи через

плоскую стенку. Наш случай d/(d-2)=25/20=1, 25< 2 соответствует данному требованию.

Таким образом, коэффициент теплопередачи К определяем по формуле:



К =, где:

₁ и _2, Вт/(м2·К) -коэффициенты теплоотдачи (₁ -от горячего теплоносителя к стенке, ₂ - от стенки к холодному теплоносителю );

R_заг-суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей, м²*К/Вт;(примем R_заг=0).

_с=2, 5 мм=0, 0025 м -толщина стенки поверхности теплообмена.

л_с- коэффициент теплопроводности материала трубок, Вт/(м*К).

Материальное исполнение теплообменника труба в трубе согласно ТУ3612-014-00220302-99 примем М3(по таблице 10) - т.е. внутренняя теплообменная труба и наружная кожуховая труба выполнены из стали 12Х18Н10Т, так как молоко - пищевой продукт, и транспортировать его по трубе из углеродистой стали нежелательно.

Коэффициент теплоотдачи ₁ определяем из расчета конвективной теплоотдачи при вынужденном течении жидкости в прямых гладких трубах.

Определяющий размер -внутренний диаметр внутренней трубы d_вн=0, 02м

Определяющая температура -средняя температура молока t_cр=54°С.

Температуру стенки примем для расчета t_cт=0, 5(t_cр+_ср)=0, 5(54+20)=37°С,

где _ср=0, 5*(_н+_к)=20°С -средняя температура охлаждающей воды

Для стали 12Х18Н10Т л_с=15, 25 Вт/(м*К) -при t_cт=40°С http://kmcentr.ru/12X18H10T.htm

По таблице 1 при t_cр=54°С: ₁=1013кг/м³-плотность молока;

₁=0, 579 Вт/(м*К) - коэффициент теплопроводности молока;

₁=0, 7834*10^-6 м²*с- коэффициент кинематической вязкости молока.

Pr=5, 438 ; Pr_cт=8, 61(при t_cт=37°С).

Определим гидродинамический режим течения молока (горячего теплоносителя):

Критерий Рейнольдса для горячего теплоносителя:

Re₁= w₁* d _вн/₁

Re₁= 1, 2738* 0, 02 /(0, 7834*10^-6)=32500>10000

Режим движения во внутренней трубе -турбулентный.

Теплоотдача определяется по формуле:

Nu₁=0, 021* Re ₁^{0, 8}* Pr ₁^{0, 43}(Pr ₁/ Pr _c)^{0, 25}

Nu₁=0, 021* 32500^{0, 8}* 5, 438^{0, 43}(5, 438/ 8, 61)^{0, 25}=157, 792

Коэффициент теплоотдачи ₁ определяем по формуле

₁= Nu₁*₁/ d _вн

₁= 157, 792*0, 579/ 0, 02=4568, 08 Вт/(м2·К)

При движении холодного теплоносителя в канале сложной формы в качестве определяющего размера принимают эквивалентный диаметр d_экв, который равен: d_экв= D-d=49-25=24 мм= 0, 024м.

Физические свойства воды при _ср=20°С:

₂=998, 2 кг/м³ -плотность воды;

₂=0, 599 Вт/(м*К) - коэффициент теплопроводности;

₂=1, 006*10^-6 м²*с- коэффициент кинематической вязкости Pr₂=7, 02 ; Pr_c2=4, 643(при t_cт=37°С)

Определим гидродинамический режим течения воды (холодного теплоносителя):

Критерий Рейнольдса для холодного теплоносителя:



Re₂= w₂* d _экв/₂

Re₁= 1, 151* 0, 024 /(1, 006*10^-6)=27400>10000

Режим движения в кольцевом канале - турбулентный.

Теплоотдача определяется по формуле:

Nu₂=0, 021* Re ₂^{0, 8}* Pr ₂^{0, 43}(Pr ₂/ Pr _c)^{0, 25}

Nu₂=0, 021* 27400^{0, 8}* 7, 02^{0, 43}(7, 02/ 4, 643)^{0, 25}=191, 086

Коэффициент теплоотдачи ₂ определяем по формуле

₂= Nu₂*₂/ d _экн

₂= 191, 086*0, 599/ 0, 024=4769, 19 Вт/(м2·К).

Определим коэффициент теплопередачи К:

К == 1687, 7 Вт/(м2·К).

Уточняем температуры стенок t_c и _с соответственно со стороны молока и охлаждающей воды. Для этого рассчитаем плотность теплового потока через стенку между средними температурами теплоносителей t_cр и _ср.

q=K(t_cр-_ср)= 1687, 7*(54-20)=57382 Вт/м²

Температуры стенок найдем по формулам:

t_cт= t_cр- q/₁=54-57382/4568, 08=41, 44°С

_ст=_ср+ q/₁=20+54181/4769, 19=32, 03°С

Расхождение между принятым и полученным значением составляет:

- Для горячего теплоносителя

₁=|41, 44-37|/41, 44*100=10, 71%>5%

- Для горячего теплоносителя

₁=|32, 03-37|/32, 03*100=15, 51%>5%

Так как расхождение больше 5 %, то расчет проводим для новых значений:

t_cт=41, 44°С, при этом Pr_c1=7, 08

Nu₁=0, 021* 32500^{0, 8}* 5, 438^{0, 43}(5, 438/ 7, 08)^{0, 25}=165, 7

₁= 165, 7*0, 579/ 0, 02=4977 Вт/(м2·К)

_ст=32, 03°С, при этом Pr_c2=5, 19

Nu₂=0, 021* 27400^{0, 8}* 7, 02^{0, 43}(7, 02/ 5, 19)^{0, 25}=185, 839

₂= 185, 839*0, 599/ 0, 024=4638, 23 Вт/(м2·К).

Уточним коэффициент теплопередачи К:

К == 1722, 78 Вт/(м2·К).

Плотность теплового потока через стенку между средними температурами теплоносителей t_cр и _ср.

q=K(t_cр-_ср)= 1722, 78*(54-20)=58574 Вт/м²

Температуры стенок:

t_cт= t_cр- q/₁=54-58574/4977=42, 23°С

_ст=_ср+ q/₁=20+58574/4638, 23=32, 63°С

Расхождение между принятым и полученным значением составляет:

- Для горячего теплоносителя

₁=|41, 44-42, 43|/42, 43*100=2, 33%<5%

- Для горячего теплоносителя

₁=|32, 03-32, 63|/32, 63*100=1, 83%<5%

Так как расхождение между рассчитанным вновь и предыдущим значениями температур стенок меньше 5 %, то расчет заканчиваем.

Для дальнейших расчетов принимаем коэффициент теплопередачи равным

К = 1722, 78 Вт/(м2·К).

Поверхность теплообмена аппарата

F= Q₂/ (K *t_ср)= 137600/(1722, 78*25, 81)=3, 095 м²

Примем теплообменный аппарат по типу ТТОН 25/57 -6, 3/4, 0 с длиной одной секции длиной 3м по ТУ3612-014-00220302-99, с внутренней теплообменной трубой 25х2, 5, как указано в задании на курсовую работу.

Основные размеры примем по таблице 2.

Номинальная наружная поверхность теплообмена, м² для одной секции длиной 3 м составляет(по таблице 6 ) f=0, 228 м²

Число секций аппарата: N= F/ f=3, 095/0, 228=13, 58.

Примем число секций N=14.

Внутренние трубы аппарата, содержащие следы молока, следует регулярно мыть, поэтому следует принять к рассмотрению исполнение 2- со съемными двойниками.

Таким образом, выполняем чертеж аппарата по типу теплообменника труба в трубе однопоточного неразборного (ТТОН) со съемными двойниками (исполнение 2), с диаметрами теплообменных и кожуховых труб d/D=25/57 мм, на условные давления внутри и снаружи теплообменных трубок Рв/Рн=6, 3/4, 0МПа, с гладкими теплообменными трубами (Г) длиной 3 м, материального исполнения М3, блочного исполнения из 14 последовательно соединенных элементов, климатического исполнения У

Условное обозначение:

Теплообменник блочный х14 ТУ3612-014-00220302-99.



Список используемой литературы

1. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. М: Агропромиздат 1987 г.

2. Стабников В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. М: Агропромиздат 1985 г.

3. Чубик И.А. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. Пищпром 1970 г.

Размещено на Allbest.ru