Проектирование теплообменного аппарата типа "труба в трубе"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине «Теплотехника»

Тема: «Проектирование теплообменного аппарата типа «труба в трубе»»

Москва, 2016 г.



Содержание

Введение

1. Основная часть

1.1 Тепловой расчет

1.2 Конструктивный расчет

1.3 Расчет тепловой изоляции

1.4 Гидравлический расчет

2. Подбор насоса

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Теплообменники представляют собой аппараты, которые передают тепло от одних сред к другим, т.е. передают тепло от горячих теплоносителей к холодным. Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителя, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные) и регенеративные.

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее распространенную и важную группу теплообменных аппаратов, используемых в химической технологии. В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, при этом теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми (трубными). В другой группе поверхностных теплообменников поверхностью теплообмена являются стенка аппарата или металлические плоские листы. Такие теплообменники называются пластинчатыми.

В химической и нефтехимической промышленности самое широкое распространение получили поверхностные теплообменники, чаще всего трубчатого типа. Теплообменники этого типа называются кожухотрубчатыми или кожухотрубными. Они достаточно просты в изготовлении, позволяют развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Двухтрубные теплообменники довольно часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб.



Один из теплоносителей движется по внутренним трубам, другой - в кольцевом зазоре, образованном внутренними и наружными - трубами. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3-6 м, Диаметр наружной трубы - 159 мм, внутренней - от 10 до 57 мм.

В связи с незначительными сечениями внутренней трубы и кольцевого зазора в теплообменниках достигаются достаточно высокие скорости движения теплоносителей (до трех метров в секунду), что способствует увеличению коэффициентов теплопередачи, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Основным достоинством двухтрубных теплообменников является осуществление процессов теплообмена с теплоносителями при высоких давлениях. В свою очередь, двухтрубные теплообменники более металлоемки, чем кожухотрубчатые.



1. Основная часть

1.1 Тепловой расчет

Исходные данные

Продукт: Масло соевое

Свойства продукта:

· плотность продукта 2 =930

· удельная теплоёмкость продукта

= 1,9 = 1900

· теплопроводность продукта = 0,16

· кинематическая вязкость продукта =10 10-6

Рабочая среда - горячая вода с начальной температурой и часовым расходом М1, кг/час. Производительность установки по продукту V2, м3/час. Температуры обрабатываемого продукта: начальная , конечная .

Расходы температуры:

· массовый расход теплоносителя (вода)

М1 = 3650 кг/час = = 1,013 кг/с

· начальная температура теплоносителя (вода) = 92

· объемный расход (масло соевое)

V2= 5 м3/час = = 0,00138 м3/с

· начальная температура продукта (масло соевое) = 14

· конечная температура продукта (масло соевое) = 60 ;

Площадь поверхности нагрева определяется из основного уравнения теплопередачи:

(1)

откуда, поверхность нагрева (в м2)

(2)

где Q - количество переданного тепла;

k - коэффициент теплопередачи;

?tср - средний логарифмический температурный напор.

Тепловой поток, передаваемый от горячего теплоносителя к холодному, определяется из уравнения теплового баланса:

(3)

где М1 и М 2 - массовый расход соответственно воды и соевого масла;

с1 и с2 - массовая теплоемкость при постоянном давлении соответственно горячего и холодного теплоносителя, Дж/ (кг град);

и - начальная и конечная температура горячего теплоносителя, .

и - начальная и конечная температура холодного теплоносителя, .

Определим массовый расход соевого масла

Возьмем приближенное t1к=65 ?С, тогда

tcр

cр80=4200 Дж/ (кг ?С)

Найдем t1к из уравнения теплового баланса:

t1к = 65,71 ?С

t?ср

расхождение между значениями tcр и t?ср минимальное.

Тепловой поток:

Вт

Расчет среднего температурного напора:

Дtcр (4),

При

где - большая разность температур,

- малая разность температур.

Расчет общего коэффициента теплопередачи

(5)

где б1 -коэффициент теплоотдачи от воды к омываемой поверхности стенки, Вт/ (м2 град);

б2 - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубы к соевому маслу, Вт/ (м2 град);

лi - коэффициент теплопроводности стенки трубы из стали, Вт/ (м град); используем нержавеющую сталь лст = 15 Вт/(м оК)

дi - толщина стальной стенки, м.

Найдем коэффициент теплоотдачи б2.

Вычислим число Re для определения режима движения:

,

где u - скорость потока по трубе; м/с.

d - диаметр трубы; м.

н - коэффициент кинематической вязкости,;

Примем скорость соевого масла равную 1,5и подставим это значение в уравнение расхода:

(7),

где

V - объемный расход теплоносителя

S - площадь поперечного сечения потока теплоносителя, м2

,

где d - внутренний диаметр трубы)

Преобразовав уравнение (7), получаем:

Отсюда, рассчитаем внутренний диаметр «малой» трубы:

Выбираем из таблицы П-4 стандартный d трубы, равный 0,035 м, тогда будем иметь dвн=0,035 м, dнар=0,042 м, толщину стенок д=0,0035м и площадь поперечного сечения S=0,00096 .

Пересчитываем скорость с полученным диаметром:

Пересчитав скорость с полученным диаметром, вычисляем число Рейнольдса:

При полученном результате можно сделать вывод: так как 2300<Re<10000 режим течения теплоносителя-переходный, поэтому расчет коэффициента теплоотдачи б производим по графику, представленному в методических указаниях. После определения значения коэффициента, подставим его в уравнение, для определения значения Нуссельта

(8)

Отношение учитывает направление теплового потока принимаем за единицу.

Рассчитаем значение критерия Прандтля для подсолнечного масла:

Pr

коэффициент температуропроводности, м2/с.

Рассчитаем критерий Нуссельта:

Подставим полученные значения в уравнение (8):

Nu=16•(110,44) 0,43 = 120,97

Зная, что по определению

,

находим б2:

теплообменный аппарат напор изоляция

Выразим площадь кольцевого сечения, по которому протекает горячий теплоноситель - вода:

где Dвнутр - внутренний диаметр «большой» трубы, м.

dнаруж - наружный диаметр «малой» трубы. м.

Скорость греющей воды принимаем за ,

Подставим уравнение (9) в (7):

выразим Dвнутр:

Dвнутр

Что из таблицы П-4 соответствует Dвнутр=0,075 м.

Производим пересчет скорости:

Рассчитаем критерий для воды:

(10)

Где dэкв - эквивалентный диаметр канала кольцевого сечения

Для канала кольцевого сечения эквивалентный диаметр равен:

,

где S - площадь живого сечения потока, м2,

П - смоченный периметр, м.

Таким образом,

Значение кинематической вязкости v1 = 0,36510-6 м2/с и число Прандтля Pr = 2,23 берем из таблицы П-2 при

и подставляем найденное значение в формулу (10)

;

Так как Re>10000, то режим турбулентный, уравнение для вычисления критерия Нуссельта будет иметь вид

Число Прандтля тоже берем из таблицы П-2 при 80

Из определения числа Нуссельта получаем:

Имея все значения, подставляем в уравнение (5) для расчета коэффициента теплоотдачи

Расчет площади поверхности теплопередачи

Поверхность теплообмена рассчитана без учета потерь тепла в окружающую среду и, следовательно, будет меньше поверхности, которая обеспечит реальные условия работы аппарата. Для расчета реальной поверхности необходимо дополнительно знать также - тепловой поток, теряемый аппаратом в окружающую среду. Это требует знания площади внешней поверхности аппарата и условий теплообмена между корпусом и окружающей средой.

Допускаем, что потери теплоты в окружающую среду не превысят 3ч5 % от расчетного полезного теплового потока . Тогда полный действительный расход теплоты и действительная поверхность нагрева Fдей определяются по формулам:

.

1.2 Конструктивный расчет

Определение основных размеров аппарата

В результате конструктивного расчета необходимо определить число секций аппарата и решить вопрос об их расположении и соединении.



Формула для расчета искомого диаметра патрубков для входа и выхода теплоносителей (в м)

, где

с - плотность теплоносителя на входе (для входного патрубка) или на выходе из аппарата, определяется по таблицам в зависимости от начальной или конечной температуры теплоносителя.

u - скорость теплоносителя на входе или на выходе из аппарата; скорость на входе принимается в пределах рекомендованных значений скоростей теплоносителей в трубах; скорость на выходе меньше скорости на входе за счет гидравлических сопротивлений аппарата.

Длина патрубков определяется:

Общая длина рабочей части внутренней трубы определяется из уравнения:

F - поверхность нагрева, найденная в результате теплового расчета аппарата;

dср - средний расчетный диаметр труб при

б1 б2

Подставим известные величины в уравнение (12):

Длину рабочей части одной секции l рекомендуется принимать равной не более 4-6 м, тогда число секций аппарата:

Расстояние между двумя соседними секциями Н выбирается в зависимости от длины соединительных патрубков lпатр, толщины тепловой изоляции диз, толщины фланцев и прокладки с таким расчетом, чтобы при монтаже болты могли быть свободно введены в отверстия фланцев. Но также влияет на расстоянии H радиус закругления колена R:

R=1,5…2d= 2·0,042= 0,084м

Тогда теплообменник труба в трубе будет иметь следующие габариты:

· длина приблизительно равная

l+2R=4+2·0,084=4,168м

· высота приблизительно равная

14Dнаруж+28lпатр=14·0,083+28·0,127=4,718

· толщина приблизительно равная

4Dнаруж =4·0,083=0,332 м, т.е. менее 0,5 м

1.3 Расчет тепловой изоляции

После завершения теплового и конструктивного расчетов следует обосновать необходимость применения тепловой изоляции и решить вопрос о том, какую часть внешней поверхности корпуса теплообменника надо покрывать слоем изоляционного материала.

Условия, при которых нанесение тепловой изоляции не требуется:

Во-первых, необходимо учитывать требования техники безопасности: наружная стенка аппарата не должна иметь температуру выше 3540, а температура в цехе не должна намного отличаться от 20 для обеспечения нормальных условий работы обслуживающего персонажа.

Во-вторых, надо сопоставить передаваемый тепловой поток Q с тепловым потоком Qпот, теряемым в окружающую среду неизолированной внешней поверхностью аппарата. Расчет тепловых потерь производят по уравнению:

б3- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху помещения, Вт/(м2 град).

Fк - площадь поверхности внешней трубы (диаметром Dнар), м2;

tст - температура наружной поверхности внешней трубы, °С (35 С);

tвозд - средняя температура воздуха в помещении цеха, °С (20 С).

В случае, если требования техники безопасности выполняются и потери теплоты Qпот незначительны (менее 5% от сообщаемой продукту теплоты Q), то изоляцию можно не устанавливать. Более точный ответ о целесообразности изоляции может дать сравнительный экономический расчет стоимости теряемого тепла и расходов на изоляцию.

В остальных случаях решается вопрос о толщине слоя изоляции, который обеспечит минимальные потери и температуру на внешней поверхности не выше 35°С.

Коэффициент теплоотдачи б3 рассчитывают по уравнению подобия для теплоотдачи при свободном движении жидкости (воздуха)

Значения с и nв уравнении (14) являются функцией аргумента ; их значения представлены в таблице.



Значения с и n в формуле

	C	n
	1,18	1/8
	0,54	1/4
	0,135	1/3

Критерий Gr по определению:

где (15)

g - ускорение силы тяжести;

l - характерный размер (l=Dнар);

- разность между характерными температурами жидкости и стенки;

в - коэффициент объемного расширения жидкости;

v - кинематическая вязкость.

Физические свойства воздуха выбирают по таблице П-з при определяющей температуре, равной:

Коэффициент объемного расширения находится по формуле:

По уравнению (15)

Подставляем найденные величины в уравнение (14):

Тогда

Находим площадь поверхности внешней трубы теплообменника по формуле:

Подставляем это значение в формулу теплового потока, теряемого в окружающую среду (13)

Что составляет 4,9 % от сообщаемой продукту теплоты Q. Это не превышает допустимые 5%.

Найдем коэффициент теплопередачи от горячей среды через двухслойную стенку (наружная труба + слой изоляции) к воздуху цеха:

где - температура наружной поверхности слоя изоляции, равная 35;

- средний температурный напор между температурой теплоносителя внутри кольцевого зазора и температурой в цехе.

Подставив (18) в (17), получаем:

Определим толщину изоляционного слоя по формуле:

Выбираем теплоизоляционный материал, например, войлок строительный с коэффициентом теплопроводности и вычисляем:

Погрешность вычисления составляет 0,5 %.

Тогда допускаемые потери при наличии изоляции составят:

где

2342,76 Вт

Потери составляют 2 % от сообщаемой продукту теплоты, что не превышает допустимые 5%, а значит, являются незначительными.

1.4 Гидравлический расчет

Целью гидравлического расчета является определение потерь давления (в Н/м2) или потерь напора (в м) теплоносителя при прохождении через аппарат и выбор средств для транспортировки теплоносителя.

Потери напора (давления) складываются из потерь на преодоление трения теплоносителя о стенки прямолинейных участков каналов hтр, потерь на преодоление местных сопротивлений hмс и статического напора Нст.

Потери напора на трение рассчитывают по формуле

l - длина прямолинейного участка при движении, м;

d - эквивалентный диаметр канала, м;

u - скорость движения теплоносителя, м/сек;

g - ускорение свободного падения, (9,8 м/сек2).

о(кси) - коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина); рассчитывается в зависимости от режима движения.

При турбулентном движении жидкости (Re= справедлива зависимость:

Подставим (24) в уравнение (23):

Определение потерь напора на преодоление местных сопротивлений:

где i - коэффициент местного сопротивления для i-того сопротивления (безразмерная величина); определяется в зависимости от конструктивных особенностей местного сопротивления (таблица П-6).

Перечислим все местные сопротивления, и количество раз, которое они встречаются в конструкции:

· 7 колен под углом 90? - ж=1,1;

· 1 вход в трубу - ж=0,5;

· 1 выход из трубы - ж=1;

· 2 вентиля - ж=6

· 3 отвода - ж=0,150;

Сложив все произведения коэффициентов местных сопротивлений, получим

.

Подставим это значение в формулу (25)

Статический напор рассчитывается так:

где - высота подъема жидкости;

р2 и р1 - соответствующее давление над поверхностью жидкости в нижнем и верхнем сосуде (Н/м2).

В уравнение (22) подставляем (23), (25) и (26)

Мощность насоса, необходимая для перемещения обрабатываемого продукта:

Зная, что

,а

получим:

2. Подбор насоса

Пищевые насосы применяются для перекачивания пищевых жидкостей (например, пива, молока, йогуртов и др.) и широко используются в производстве молочной, кисломолочной продукции, а также для вязких продуктов в медицине, фармацевтике, химической промышленности и в др. Так как насосы для пищевой промышленности соприкасаются с пищевыми продуктами, они изготавливаются из экологически чистых материалов, одобренных Минздравом и, в основном, состоят из нержавейки, которая не влияет на качество продуктов.

От того, насколько хорошо насос перекачивает различные виды жидкостей и вязких продуктов, часто зависит качество производимой пищи. Кроме того, неисправность оборудования способно привести к длительному простою производства, а также порче продуктов питания, что становится причиной убытков для компании. Именно потому важно выбрать не только качественный, но и подходящий насос для осуществления тех или иных операций на продуктовых фабриках. Все насосы подразделяются на две группы: объемные (поршневые или вакуумные, роторные - пластинчатые, винтовые, шестеренные) - принцип работы подразумевает повышение давления жидкости (молока, пива, воды и др.) вытеснением ее из замкнутого пространства воздушно-поступательными поршнями либо вращающимися роторами; динамические (центробежные, вихревые, осевые, струйные) - давление жидкостей и вязких продуктов увеличивается из-за увеличения кинетической энергии в самом насосе. Поршневые, мембранные, вакуумные, роторные, кулачковые, шестеренные, центробежные, вихревые, осевые и струйные насосы используются для использования с различными типами жидкостей. Одни подходят исключительно для жидких продуктов (молока, воды, соков, пива и др.), а другие - для жидкой продукции с вкраплениями твердых частиц (йогуртов, кремов, винных продуктов, дорогих сортов пива и др.)

Выбираю насос центробежный, т.к. Центробежные насосы обладают самовсасывающими свойствами и не самовсасывающими и обладают рядом преимуществ. Например, самовсасывающие обладают следующими характеристиками:

· Устойчивость к высоким перепадам температур (от -20 до 135 градусов по Цельсию, некоторые могут выдерживать до 350 градусов).

· Отсутствие в центробежных насосах изнашиваемых частей.

· Центробежные насосы рассчитаны на бесперебойную работу.

· Центробежные насосы являются практически универсальными.

· Считаются наиболее функциональными и надежными.

· Применяются для откачки жидкости из резервуаров, когда та чрезмерно закачивается в емкость.

· Подходят как для транспортных цистерн или молоковозов, так и стационарных ванн или кубов.

· Центробежные насосы используются при наличии в резервуаре газа.

Насос: ОНЦ6,3/10К5 - 0,75/2

Подача: 5,0-10,0 м3/ч

Напор: 13,0-9,0 м

Мощность: 0,75*2900 кВт*об/мин

Масса: 15,5 кг



Вывод

В курсовой работе я изучила способ расчета и подбора нужного теплообменного аппарата, используемого на пищевом производстве. Я провела расчет теплообменника для производства соевого масла.

В ходе теплового расчета теплообменного аппарата выяснились следующие тепловые показатели:

· коэффициент теплоотдачи от нагревающей жидкости к стенке трубки б1= 2307,3 Вт/м2*оС

· коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к нагреваемому соевому маслу б2 = 552,983 Вт/м2*оС

· коэффициент теплопередачи к = 404,077 Вт/м2*оС.

В конструктивном расчете я определила габариты теплообменника «труба в трубе» для переработки соевого масла: длина 4,168 м, высота 4,718 м, толщина 0,332 м.

При помощи гидравлического расчета я подобрала электронасос: ОНЦ 3,5/10К - 0,55/2.



Список литературы

1. Теплотехника: методические указания / В. М. Стефановский. М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2012. 52 с.

2. Курс лекций и семинаров

3. Михеева Н.С., Васильева А.С., Горбатюк В.И., Лазарев В.Д.: Процессы и аппараты пищевых производств. М.: МТИПП, 1972.

Размещено на Allbest.ru