Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине Процессы и аппараты пищевых производств

Проектирование теплообменника для нагревания воды водяным паром

Студент Т.А.Травникова

Нормоконтроль Н.Д.Губанов

Иркутск 2016 г.



Содержание

Введение

1. Тепловой баланс. Расход горячего теплоносителя

2. Расчёт средней разности температур

3. Расчет ориентировочной поверхности теплопередачи . Выбор теплообменного аппарата

4. Уточненный расчет выбранного теплообменного аппарата

5. Определение температур стенок и корректировка коэффициента теплопередачи

6. Гидравлический расчет аппарата

Заключение

Список использованных источников



Введение

К тепловым относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и конденсации, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты. Нагревание - повышение температуры тел путем подвода к ним теплоты.

Охлаждение - понижение температуры тел путем отвода от них теплоты. Частным случаем испарения является процесс выпаривания - концентрирование при кипении растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Конденсация - сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них теплоты. Теплота является наиболее универсальной формой энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов, электронов. Перенос энергии в форме теплоты происходит между телами с различной температурой и называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел. Теплообмен - это самопроизвольный процесс переноса теплоты. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называют теплообменниками.

Теплопередача - это перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку. Оба вещества, участвующие в теплопередаче, называются теплоносителями.

В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности.

В зависимости от назначения предусматривают четыре вида кожухотрубчатых аппаратов, используемых с различными параметрами теплоносителей. Вид аппарата обозначают первой буквой: И - испарители, К - конденсаторы, Х - холодильники, Т - теплообменники. Конструктивное исполнение аппарата, обеспечивающее компенсацию температурных деформаций его элементов, указано второй буквой условного обозначения. Примеры буквенных обозначений теплообменников. ТН -теплообменник с неподвижными трубными решетками; ХК - холодильник с температурным компенсатором на кожухе; ТП - теплообменник с плавающей головкой; ИУ - испаритель с U-образными трубками. Третья буква в условном обозначении показывает исполнение: Г - горизонтальное; В - вертикальное.

Поверхности нагрева одноходовой и двухходовой теплообменников собираются из штампованных гофрированных пластин из нержавеющей стали, между которыми образованны каналы для прохода теплоносителя. Эффективность теплообмена обеспечивается высокой турбулентностью потока и противоточной схемой прохождения теплоносителя.

Теплообменники по принципу работы подразделяются на два типа: одноходовые и двухходовые.

Одноходовым кожухотрубчатым теплообменным аппаратам и может быть использовано в химической, нефтегазовой и других отраслях промышленности. В одноходовом кожухотрубчатом теплообменном аппарате, включающем цилиндрический корпус, штуцеры для ввода и вывода теплоносителя, теплопередающие трубки, трубные решетки, эллиптические крышки с отбортовкой, штуцеры для ввода и вывода теплоносителя, соответственно - в эллиптическую крышку и из эллиптической крышки, эллиптическая крышка со штуцером для ввода теплоносителя снабжена перфорированной круглой пластиной с площадью свободного сечения от 40 до 60%, расположенной в зоне отбортовки эллиптической крышки со штуцером ввода теплоносителя, причем отверстия в перфорированной круглой пластине составляют не более 1,5 от диаметра теплопередающих трубок. Технический результат - равномерное распределение теплоносителя по греющим трубам, увеличение коэффициента теплопередачи при уменьшении поверхности теплопередачи, снижение габаритов, материалоемкости и стоимости теплообменного аппарата.

Конструкция двухходового кожухотрубного аппарата предусматривает перегородку в верхней крышке, благодаря которой, теплоноситель проходит сначала по трубам через половину пучка, а в обратном направлении - сквозь вторую половину пучка. Вторая среда перемещается в межтрубном пространстве, где путь удлиняют сегментарные перегородки. Существуют также трех- и шестиходовые теплообменные аппараты. Кожухотрубные теплообменники могут располагаться в вертикальном или горизонтальном положении в зависимости от местных условий. Такие аппараты могут соединяться последовательно, если есть необходимость удлинить пути теплоносителей. Параллельное соединение используется в случаях, если размещение необходимого числа труб в одном корпусе невозможно. Многоходовые теплообменные аппараты используются с целью увеличения скорости и интенсификации теплового обмена посредством удлинения теплоносителей.



1. Тепловой баланс. Расход горячего теплоносителя

Движение теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике противоточное. На рисунке 1 изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообменника.

Рисунок 1- Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообменника

Средняя температура воды , єC

=0,5(+)= 0,5(14+65)= 39,5 єС

Средняя температура водяного пара єC

=0.5+ )= 0.5(132.9+132.9)= 132.9 єC

В соответствии с заданными технологическими условиями тепловая нагрузка Q находится, из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей при насыщенном паре конденсат отводится при температуре конденсации. Расчёт теплообменного аппарата начинаем с определения тепловой нагрузки по уравнению теплового баланса [1]

, (1.1)

где - массовый расход горячего теплоносителя, кг/с; - массовый расход холодного теплоносителя, кг/с; - удельная массовая теплота конденсации горячего теплоносителя, кДж/кг; - теплоёмкость холодного теплоносителя, кДж/(кгК); - начальная температура холодного теплоносителя,; - конечная температура холодного теплоносителя,; - потеря теплоты в пространстве, Вт.

Тепловые потери для тепловых аппаратов при наличии теплоизоляции незначительны. Потери теплоты для тепловых аппаратов нормализованы и не должны превышать 3 - 5%.Поэтому уравнение тепловой нагрузки принимает следующий вид [1]

(1.2)

Поскольку один технологический параметр не был указан в исходном задании, он находится с помощью уравнения теплового баланса для всего аппарата в целом. Расход горячего теплоносителя рассчитываем по следующему уравнению

(1.3)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

кг/с

Расчёт тепловой нагрузки горячего теплоносителя проводится по уравнению

(1.4)



Подставив необходимые исходные числовые значения, получаем

Вт

2. Расчёт средней разности температур

Для определения средней разности температур необходимо рассчитать движущую силу на концах аппарата и. Большая разность температур стенки и теплоносителя рассчитывается по уравнению [1]

, (1.5)

где - конечная температура горячего теплоносителя,.Подставив необходимые числовые значения, получаем

Меньшая разность температур стенки и теплоносителя рассчитывается по следующему уравнению

, (1.6)

где - начальная температура горячего теплоносителя,.Подставив необходимые числовые значения, получаем

Уравнение расчёта средней разности имеет вид [1]

(1.7)



Подставив необходимые числовые значения, получаем

3. Расчет ориентировочной поверхности теплопередачи. Выбор теплообменного аппарата

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство обусловливается его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. По природе теплоносителя выбираем максимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи. От конденсирующего пара к газу [2, стр. 172]. Ориентировочный коэффициент принимается равным Вт/мК, определившись с которым рассчитывается ориентировочная поверхность по следующему уравнению [2]

(1.8)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

м

На основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи и приближено определенной поверхности выбирается конкретный вариант ГОСТ 15118-79[1, стр.51] после чего необходимо провести уточненный расчет коэффициента теплопередачи и требуемой поверхности. Параметры выбранного кожухотрубчатого теплообменника приведены в таблице 1:



Таблица 1- Техническая характеристика теплообменного аппарата

Показатель	Значение
Поверхность трубы D, м	11
Диаметр кожуха D, мм;	325
Число ходов z	2
Общее число труб n	90
Диаметр трубd, мм	20 Ч 2
Длина трубы l, м	2
Площадь сечения труб , м	0,021

4. Уточненный расчет выбранного теплообменного аппарата

Для расчёта критерия Рейнольдса и определения режима течения определяем площадь трубного пространства . Площадь трубного пространства рассчитаем по следующему уравнению

(1.9)

где - диаметр внутренний, мм; Подставив необходимые числовые значения, получаем

м

Критерий Рейнольдса рассчитывается по уравнению [2]

(1.10)

где - скорость холодного теплоносителя, м/с; - плотность теплоносителя, = 992,2 кг/м;

- вязкость холодного теплоносителя, Пас;

- площадь труб, м.

Плотность рассчитываем по уравнению линейной интерполяции[3]

(1.11)

Плотность воды равна, при температуре и , при . Тогда при средней температуре , получаем

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Rе 2300 - режим ламинарный.

Рассчитаем критерий Прандтля по уравнению [2]

(1.12)

где теплопроводность воды, Дж/(кг).

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Теплопроводность рассчитывается по уравнению линейной интерполяции при средней температуре . Теплопроводность воды равна Вт/(мК), при температуре и Вт/(мК), при . Подставив необходимые числовые значения, получаем

Дж/(кг)

При развитом ламинарном движении критерий Нуссельтапо уравнению [1]

(1.13)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Коэффициент теплоотдачи воды, движущегося по трубам в ламинарном режиме, рассчитаем по уравнению [2]

(1.14)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Вт/(мК)

Теплопроводность нержавеющей стали равнаВт/мК [1, стр. 68] Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений рассчитывается по уравнению [1]

, (1.15)

где- толщина стенки, м;

- термические сопротивления слоя загрязнений, Вт/(м К).

Подставив необходимые числовые значения, получаем

мК/Вт

Среднее значение коэффициента теплоотдачи при конденсации насыщенного пара в межтрубном пространстве на наружных поверхностях горизонтальных труб длиной L рассчитывается по уравнению [2]

, (1.16)

где - поправочная функция, для водяного пара в случае конденсации на пучке горизонтальных труб =1;

- поправочный множитель, который приняли равным =0,9;

- ускорение свободного падения g = 9,80665 м/сІ;

- средняя определяющая температура, .

Физико-химические свойства воды для расчета коэффициента теплоотдачи используем следующие значения [2, стр. 537]. ТеплопроводностьВт/(мК); плотность кг/м; удельная массовая теплота конденсации кДж/кг; вязкость Па?с. Конденсат водяного пара в первом приближении стенки и плёнки принимаем. Подставив необходимые числовые значения, получаем

Вт/(м?К)

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по уравнению [1]

(1.17)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Вт/(мК)

Требуемая поверхность конденсатора рассчитывается по уравнению [2]

(1.18)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

м

5. Определение температур стенок и корректировка коэффициента теплопередачи

Температуры стенок рассчитываются методом последовательных приближений итерации. Расчёт температуры стенок проводится по уравнениям [1]

Для холодного теплоносителя:

(1.19)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Для горячего теплоносителя:

(1.20)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Тогда температурный напор рассчитывается по уравнению [2]

(1.21)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается с использованием вычисленной величины температурного напора. Величина коэффициента теплоотдачи при температуре стенки рассчитываем по уравнению [2], с учетом величины. Подставив нужные числовые значения, получаем

Вт/(мК)

Учитывая рассчитанную величину коэффициента теплоотдачи конденсата водяного пара пересчитывается коэффициент теплопередачи. Подставив необходимые измененные числовые значени, получаем

Вт/(мК)

Погрешность расчета коэффициента теплопередач рассчитаем по следующему уравнению

(1.22)

Подставив нужные числовые значения, получаем

Затем рассчитывается запас поверхности, сравниваются значения теоретически выбранного конденсатора и рассчитанного. Запас рассчитанной поверхности конденсатора определяется по следующему уравнению [1]

тепловой баланс температура гидравлический

(1.23)

Требуемая поверхность конденсатора рассчитывается по уравнению [2]

(1.24)

Подставив необходимые числовые значения, получаем

м

Подставив необходимые числовые значения, получаем

=26%

Запас поверхности рассчитанного конденсатора достаточна.

6. Гидравлический расчет аппарата

Расчёт гидравлического сопротивления проводим по методике изложенной в [1].

Скорость воды в трубах рассчитывается по следующему уравнению

(1.25)

где- плотность воды, которая равна

Подставив необходимые числовые значения, получаем

м/с

Коэффициент трения рассчитывают в зависимости от режима течения. Рассчитаем коэффициент трения по уравнению [1]

(1.26)

где ;

относительная шероховатость труб, мм;

высота выступов шероховатости, которую приняли мм.

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру на выходе из неё рассчитывается по скорости воды в штуцерах. Диаметры штуцеров кожухотрубчатых теплообменников нормализованы [1, стр. 55]. Скорость воды в штуцерах вычисляется по уравнению [1]

, (1.27)

Где диаметр штуцера, м.

Подставив необходимые числовые значения, получаем

м/с

Гидравлическое сопротивление в трубном и межтрубном пространствах рассчитано в соответствии с уравнением [1]

, (1.28)

гдедлина труб, м;

число ходов по трубам;

скорость воды в трубах, м/с;

скорость воды в штуцерах, м/с.

Подставив необходимые числовые значения, получаем

Па



Заключение

В курсовом проекте был проведен технологический и гидравлический расчёт и выбран стандартный двухходовой кожухотрубчатый теплообменник, имеющий следующие параметры:

Длина трубы l= 2000 мм;

Диаметркожуха D= 325мм;

Площадь сечения труб Sтр = 0,021м;

Общее число труб n= 90;

Диаметр труб d = 20

Число ходов z = 2;



Список использованных источников

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. 3-е изд. В 2-х кн. / М.: Химия, 2002. Кн.1. 400 с.: ил. Кн. 2. 368 с.: ил.

2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 9-е изд., перераб. и доп. / К.Ф. Павлов Н.Г. Романков А.А. Носков. Л.: Химия, 1981. - 560 с.

3. Остриков А.Н. Процессы и аппараты пищевых производств :Учеб. для вузов :в 2 кн./ Спб.: ГИОРД, 2007. 704с.: ил.

4. ГОСТ 15118-79 Кожухотрубчатые теплообменники и холодильники с неподвижными трубными решетками. Основные параметры и размеры. Введ. 1979. 04.06. М.: Изд-во стандартов, 1981. 20с.

Размещено на Allbest.ru