Розрахунок оптимального варіанту елементного теплообмінника типу "Труба в трубі"

 

Вступ

Нагрівання й охолодження рідин і газів належать до найпоширеніших процесів у різних галузях харчової промисловості. Залежно від температурних та інших умов ведення процесу застосовують різноманітні методи нагрівання й охолодження. Для кожного конкретного процесу доводиться вибирати технологічно та економічно найдоцільніший метод нагрівання і відповідні теплоносії.

Апарати, призначені для нагрівання й охолодження, називаються теплообмінниками. За технологічним призначенням та конструктивним оформленням такі апарати досить різноманітні.

В основі теплообмінника лежить процес теплопередачі від гарячого теплоносія до холодного, рушійною силою теплового процесу є різниця температур між теплоносіями.

Так як харчові продукти дуже чутливі до змін температури, то розрахунок i підбір конструкції теплообмінника посідає важливе місце при проектуванні апаратів.

Отже, дана курсова робота спрямована на розрахунок оптимального варіанту елементного теплообмінника типу "Труба в трубі", який повинен забезпечити нагрівання рідини до певної температури та з певною продуктивністю, з найменшими затратами на виготовлення теплообмінника та на його експлуатацію.

Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого. Необхідною і достатньою умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти.

Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим теплоносієм (водяна пара, гаряча вода, нагріте повітря, димові гази, гарячі мінеральні масла), а речовину з нижчою температурою - холодним (вода, повітря, ропа, аміак, фреони).

Є три способи передачі теплоти: теплопровідність, конвекція і випромінювання.

Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла.

Конвекцією називається процес поширення теплоти внаслідок руху рідини або газу. За природою виникнення розрізняють два види руху рідини: вільний і примусовий.

Випромінюванням називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами.

Тепловіддачею називають процес теплообміну між твердою стінкою (тілом) і рідким (газоподібним) середовищем, що її омиває.

Теплопередачею називається процес теплообміну між двома середовищами, розділеними твердою перегородкою.

Класифікація теплообмінників, технологічне призначення

Технологічне призначення теплообмінників різноманітне. Як правило розрізняються:

Øтеплообмінники, у яких передача тепла є основним процесом;

Øреактори, у яких тепловий процес відіграє допоміжну роль,

Класифікація теплообмінників можлива по різних ознаках.

. За способом передачі тепла розрізняються теплообмінники:

Øзмішування, у яких робітничі середовища безпосередньо стикаються або перемішуються;

Øповерхневі теплообмінники - рекуператори, у яких тепло передається через поверхню нагрівання - тверду (металеву) стінку, що розділяє ці середовища.

Усі теплообмінні апарати поверхневого типу можна класифікувати залежно від напрямку потоків теплоносіїв:

прямотечійні, коли обидва теплоносії рухаються паралельно в одному напрямку;

протитечійні, коли обидва теплоносії рухаються в протилежних напрямках назустріч один одному;

. За основним призначенням розрізняються підігрівники:

Øвипарники;

Øхолодильники;

Øконденсатори;

. В залежності від виду робочих середовищ розрізняються теплообмінники:

Øрідинно-рідинні - при теплообміні між двома рідкими середовищами;

Øпаро-рідинні - при теплообміні між парою i рідиною (парові підігрівники, конденсатори);

Øгазорідинні - при теплообміні між газом i рідиною (холодильники для повітря) i ін.

. За тепловим режимом розрізняються теплообмінники:

Øперіодичної дії, у яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес;

Øбезперервної дії - зі сталим у часі процесом.

У теплообмінниках періодичної дії тепловій обробці піддається окрема порція (завантаженого) продукту; в наслідок зміни властивостей продукту i його кількості параметри процесу безперервно варіюють, у робочому режимі апарата в часі.

При безперервному процесі параметри його також змінюються, але уздовж проточної частини апарата, залишаючись постійними в часі в даному перерізі потоку. Безперервний процес характеризується сталістю теплового режиму i витрати робітничих середовища, що протікають через теплообмінник.

Існують такі типи теплообмінних апаратів.

Кожухотрубні теплообмінники. Вони найпоширеніші в харчовій промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті , прості у виготовлені й надійні в експлуатації. Недоліком такого теплообмінника є складність очищення внутрішньої поверхні труб.

Двотрубні теплообмінники типу „труба в трубі. Завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках досягають високих швидкостей руху теплоносіїв. Проте ці теплообмінники дуже громіздкі та металомісткі.

Заглибні теплообмінники. Виготовляють у вигляді змійовиків. Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках порівняно низький, але через простоту виготовлення вони набули значного поширення. Порівняно великий гідравлічний опір змійовика.

Зрошувальні теплообмінники. Застосовують переважно як холодильники. Вони прості за будовою, але досить громіздкі. Теплообмін від труб до зрошувальної води вони характеризується невисокими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі.

Спіральні теплообмінники. Переваги спіральних теплообмінників - компактність, можливість пропускання обох теплоносіїв з високими швидкостями, що забезпечує великий коефіцієнт теплопередачі. При однакових швидкостях робочих середовищ у спіральних теплообмінниках гідравлічний опір менший, ніж у кожухотрубних. Недоліками спіральних теплообмінників слід вважати складність виготовлення та низький робочий тиск - до 106 Па.

Пластинчасті теплообмінники. Поверхню теплообміну в них створюють гофровані паралельні пластини. Конструктивні, експлуатаційні та теплотехнічні переваги пластинчастих теплообмінників сприяють дедалі ширшому застосуванню їх на підприємствах харчової промисловості. Недолік їх - велика кількість довгих ущільнювальних прокладок.

Ребристі теплообмінники. Таку конструкцію часто використовують у теплообмінниках газ-рідина або газ-пара, в яких при оптимальній конструкції поверхня з боку газу має бути максимальна, наприклад, в калориферах для нагрівання повітря парою в сушильних установках, а також в апаратах повітряного охолодження.

Оболонкові теплообмінники. Застосування таких апаратів обмежене невеликими поверхнею теплообміну (до 10 м2) і тиском в оболонці (до 1 МПа).

Описання проектованого апарата

Теплообмінники типу „труба в трубі складаються з кількох послідовно зєднаних елементів, утворених двома концентрично розміщеними трубами. Один теплоносій рухається у внутрішніх трубах, а другий - у кільцевому зазорі між внутрішніми і зовнішніми трубами. Внутрішні труби окремих елементів зєднані послідовно колінами (калачами), а зовнішні - патрубками. Завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках „труба в трубі досягають високих швидкостей руху теплоносіїв (для рідин 1,0...1,5 м/с) і високої інтенсивності теплообміну. Проте ці теплообмінники дуже громіздкі та маломісткі. Тому їх використовують лише при малих обємних витратах теплоносія і незначних поверхнях теплообміну.

Теплообмінники „труба в трубі застосовують при незначних витратах теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами і між рідиною та парою, що конденсується. Ці апарати прості, їх легко виготовляти, вони дають можливість здійснити чисту протитечію і досягати високих швидкостей руху для теплоносіїв. Проте при значних теплових навантаженнях вони громіздкі і матеріалоємні.

Теплообмінник „труба в трубі складається з таких основних елементів:

1.внутрішні труби

2.зовнішні труби

.коліна або калачі

.патрубки

Вибір конструкції теплообмінних апаратів

Конкретна задача нагрівання чи охолодження даного продукту може бути вирішена за допомогою різних теплообмінників. Конструкцію теплообмінника варто вибирати, виходячи з наступних основних вимог, пропонованих до теплообмінних апаратів.

Найважливішою вимогою є відповідність апарата технологічному процесу обробки даного продукту; це досягається за таких умов:

Øпідтримка необхідної температури процесу;

Øзабезпечення можливості регулювання температурного режиму;

Øвідповідність робочих швидкостей продукту мінімально необхідної тривалості перебування продукту в апараті;

Øвибір матеріалу апарата відповідно до хімічних властивостей продукту;

Øвідповідність апарата тискам робітничих середовищ.

Другою вимогою є висока ефективність (продуктивність) i економічність роботи апарата, зв'язані з підвищенням інтенсивності теплообміну й одночасно з дотриманням оптимальних гідравлічних опорів апарата. Ці вимоги звичайно виконуються при дотриманні наступних умов:

Øдостатні швидкості однофазних робітничих середовищ для здійснення турбулентного режиму;

Øсприятливий відносний рух робітничих середовищ (звичайно краще протиток);

Øзабезпечення оптимальних умов для відводу конденсату і газів, що не конденсуються, (при паровому обігріві);

Øдосягнення відповідних термічних опорів по обидва боки стінки поверхні нагрівання;

Øзапобігання можливості забруднення i легке чищення поверхні нагрівання, мікробіологічна чистота й ін.

Ряд факторів визначає надійність роботи апарата та зручність його експлуатації: компенсація температурних деформацій, міцність, i щільність рознімних з'єднань, доступ для огляду i чищення, зручність контролю за роботою апарата, зручність з'єднання апарата з трубопроводами i т.д.

Ці основні вимоги повинні бути покладені в основу конструювання i вибору теплообмінних апаратів. При цьому найбільше значення має забезпечення заданого технологічного процесу в апараті.

Конструкція теплообмінника типу "Труба в трубі"

Велике застосування на підприємствах харчової промисловості знайшли теплообмінні апарати типу «труба в трубі». Вони можуть бути нерозбірними, коли теплообмінні труби зєднані жорсткою сваркою, або розбірними, які мають розподільні камери і кришки, які зєднані з теплообмінними трубами та кожухами за допомогою фланцевих потовщень. Крім того вони можуть бути однопоточними, двопоточними та багатопоточними.

Однотрубні теплообмінники складаються з окремих елементів типу «труба в трубі»; кожен елемент складається з двох труб, вставлених одна в іншу. Елементи з'єднані в батарею послідовно, чи паралельно комбіновано.

При цьому труби з'єднують із трубами i кільцеві простори з кільцевими просторами. Швидкість робочих тіл i коефіцієнт теплопередачі k залежать від діаметрів внутрішньої i зовнішньої труб; при виборі відповідних діаметрів можна обом робочим тілам дати бажану швидкість i досягти високих значень.

Переваги теплообмінника:

Øдотримання подвійної протитечії, що забезпечує найбільш повне використання теплоносія.

Øвитримують великий тиск

Øвитримують великі швидкості теплоносіїв

Недоліки теплообмінника

Øгроміздкість

Øвелика витрата металу

Øскладності в очистці колінного простору теплообмінних труб.

.Розрахунки

Вихідні дані для розрахунку:

Продуктивність апарату: G=18000 кг/год=5кг/с

Початкова температура води: tnв=720C

Кінцева температура води: tkв=460C

Початкова температура цукрового розчину: tnр=210C

Кінцева температура цукрового розчину: tkр=420C

Концентрація: Б=36% мас

Швидкість цукрового розчину, що рухається: ?р = 1,6 м/с

Швидкість води, що рухається: ?в = 1 м/с

Всі інші необхідні дані приймаємо самостійно по ходу розрахунку.

1.1Тепловий розрахунок

. Обчислюємо середню різницю температур теплоносія і продукту:

? tб = tпв - tкр = 72-42=30º C

? tм =tкв - tпр = 40-21=25º C

?tc=

. Теплофізичні властивості визначаються за теплофізичним довідником

Для цукрового розчину:

Знаходимо середню температуру підігріваючого цукрового розчину:

с.р.= ºC

?р=0,455 Вт/(м·К)

?р=1105 кг/м3

?р=1,974·10-3 Па·с

Ср=3597,2 Дж/(кг·К)р=15,6

Для води:

Знаходимо середню температуру підігріваючої води:

с.в. = º C

теплообмінний труба нагрів ізоляція

?в=0,656 Вт/(м·К)

?в=982кг/м3

?в=0,470·10-3 Па·с

Св=4182 Дж/(кг·К)в=3,00

. Теплове навантаження теплообмінника знаходимо з рівнянь теплового балансу

=Q1+Q2

де Q1 - кількість теплоти, віддану гарячим теплоносієм, Дж/с;2 - кількість теплоти, передана холодному теплоносію, Дж/с.

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, Дж/с або Вт

= x·Gр·Cр· (tкр - tпр)

де х - коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище; (х=1,02..1,05); Gр - витрати цукрового розчину, кг/с; Ср - теплоємність цукрового розчину, Дж/(кг·К)

х=1,03= 1,03·5·3597,2· (42 - 21)=389037.18 Вт

Отже, якщо знехтувати витратами в навколишнє середовище, то можна знайти витрати гарячого теплоносія, в нашому випадку гарячої води, Gв з рівняння теплового балансу

в=

в= кг/с

. Розраховуємо внутрішній діаметр теплообмінника

де ? - густина цукрового розчину, що нагрівається, кг/м3,

? - швидкість цукрового розчину, що рухається, м/с

м

За стандартом приймаємо d = 76×4 м

. Визначаємо зовнішній діаметр теплообмінника

,

де ?в - густина води, кг/м3.

в = d - 2· ?ст,

де ?ст - товщина стінки теплообмінника, ?ст = 4мм = 0,004 мв = 0,076 - 2·0,004 = 0,068 м

За стандартом приймаємо dв = 68×4 м

м

За стандартом приймаємо D=108×4м.

. Розраховуємо критерій Рейнольда

де ? - коефіцієнт динамічної вязкості, Па с.

Для цукрового розчину:

Для води:

екв=D-d=0,100-0,076=0,024м

. Розраховуємо критерій Нуссельта

(Re>10000 - турбулентний режим)

Приймемо , тоді:

Критерій Nu для цукрового розчину:

Критерій Nu для води:

. За знайденою величиною визначаємо коефіцієнти тепловіддачі

?1, ?2 - коефіцієнти тепловіддачі відповідно для гарячого і холодного носія, Вт/(м2·К)

Для води:

Вт/(м2 К)

Для цукрового розчину:

Вт/(м2 К)

9. Визначаємо загальний коефіцієнт теплопередачі К0

Матеріал приймаємо нержавіючу сталь, теплопровідність якої 17,5 Вт/(м·К)

Вт/(м2 К)

Коефіцієнт використання поверхні нагріву ?=0,8

К = К0·? = 1477,10· 0,8 = 1181,68Вт/(м2 К)

. Визначаємо площу поверхні теплообмінника за формулою

м2

.2 Конструктивний розрахунок

. Визначаємо загальну довжину труби:

м

. Кількість елементів теплообмінника

де l1 - довжина труби, яка лежить в межах 3…6 м.

шт

. Діаметр патрубків для входу і виходу продукту, який нагрівається

м

Отриманий діаметр округлюємо по стандарту до 0,07 м.

. Діаметр патрубків для входу і виходу води

м

В звязку з тим, що розраховане нами значення не підходить нам з конструктивних міркувань, приймемо діаметр патрубків для входу і виходу води за стандартом рівним =0,08м.

.3 Гідравлічний розрахунок

. Потужність, потрібну для переміщування цукрового розчину, Вт, визначають за допомогою рівняння:

де ? - ККД насоса, (? = 0,4…0,8). Приймаємо рівним 0,6.

Гідравлічний опір апарата складається з опору тертя і місцевих опорів. Отже, повний гідравлічний опір визначається за формулою:

де ? - коефіцієнт гідравлічного тертя для ізотермічного турбулентного руху в гладеньких трубах.

(Re=4000…100000)

l =

l=

?? = 5+2,5(n-1)

?? = 5+2,5(11-1)=30

Па

Вт = 0,4926 кВт

. Потужність, потрібну для переміщування води через апарат, Вт, визначають за допомогою рівняння:

де ? - ККД насоса, (? = 0,4…0,8). Приймаємо рівним 0,6.

Гідравлічний опір апарата складається з опору тертя і місцевих опорів. Отже, повний гідравлічний опір визначається за формулою:

l =

l=

?? = 45

де ? - коефіцієнт гідравлічного тертя для ізотермічного турбулентного руху в гладеньких трубах

Па

Вт = 0,3789кВт

.4 Техніко-економічний розрахунок

Техніко-економічний розрахунок дозволяє знайти оптимальні умови праці цих апаратів з врахуванням капітальних затрат, амортизації обладнання і експлуатаційних витрат.

Оптимальна швидкість руху рідини відповідає мінімуму функції:

К? = КА + КЕ

де К? - сумарні витрати, грн/рік,

КА - амортизаційні витрати, грн/рік,

КЕ - експлуатаційні витрати, грн/рік.

. Амортизаційні витрати:

КА = F·CF·a

де F - поверхня теплообміну, м2

СF - вартість 1 м2 поверхні теплообміну апарату, грн./м2,

СF = 1500 грн./м2

а - річна доля амортизаційних відрахувань, %, а = 0,08%

КА = 11,812·1500 ·0,08= 1417,44 грн/рік

. Експлуатаційні витрати:

КЕ = N·CE·?

де N - потужність електродвигунів насосів, кВт,

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

СЕ = 0,40 грн/(кВт год)

? - тривалість роботи апарату в році, год/рік

? = 7400 год/рік

=Nр+Nв=0,4926 +0,37893=0,87153 кВт

КЕ = 0,87153 ·0,40·7400 = 2579,729 грн/рік

К? = 1417,44+ 2579,729 = 3997,169 грн/рік

1.5 Розрахунок теплової ізоляції

Товщину ізоляції розраховують з рівності двох питомих теплових потоків через товщу ізоляцію

де ? - товщина ізоляційного шару, мма - температура в апараті, ºСі - температура на поверхні ізоляційного матеріалу, ºСп - температура повітря в приміщенні, ºС.

Ізоляційний матеріал приймаємо скловату.

Його коефіцієнт теплопровідності ? = 0,05 Вт/(м К).

Основна характеристика ізоляційних матеріалів - коефіцієнт теплопровідності.

Для нашого теплообмінника:= 40ºCП = 27ºС= 95ºС

? = 9,76 + 0,05·(42 - 27) = 10,51 Вт/(м2 К)

Отже, товщина ізоляційного шару:

м

2.Питання екології та техніки безпеки

Створення здорових і безпечних умов праці починається з правильного вибору території для розміщення підприємства та раціонального розташування на цій території виробничих і допоміжних будівель і споруд.

Особливо важливо передбачити вимоги до чистоти повітря в місцях, що прилягають до харчових та переробних підприємств, які мають великі обємі газопилових викидів у повітря. На харчових та переробних підприємствах повітря робочої зони може забруднюватися шкідливими речовинами, які утворюються в результаті технологічного процесу або містяться в сировині, продуктах та напівпродуктах і відходах виробництва. Ці речовини порапляють в повітря у вигляді пилу, газів або пари і діють негативно на організм людини. В залежності від їх токсичності та концентрації в повітрі вони можуть бути причиною хронічних отруєнь або професійних захворювань.

Тому в залежності від ступеня токсичності, фізико-хімічних властивостей, шляхів проникнення в організм, санітарні норми встановлюють гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовин в повітрі робочої зони виробничих приміщень, перевищення яких не припустиме.

За ступенем дії на організм людини шкідливі речовини ділять на чотири класи небезпеки:

- надзвичайно небезпечні;

- високонебезпечні;

- помірно небезпечні;

- малонебезпечні.

Планування будівель і споруд на території підприємств, належна їх вогнестійкість, наявність достатньої кількості протипожежних ровів і перепон, забезпечення безпечної евакуації людей, наявність інших допоміжних пристроїв рекомендуються відповідно до вимог санітарних норм СН245-71, СНиП2.01.02-85, СНиП2.10.05-85 і СНиП11-89-80. Територія підприємства повинна бути рівною, мати каналізацію, штучне освітлення, належне покриття транспортних шляхів і достатньо широкі проходи і проїзди.

Основні шляхи руху працівників, як правило, не перетинаються із залізничною колією або з іншим механізованим транспортом.

.Опис технологічної схеми підключення апарату

Вода із джерела водопостачання подається у підігрівач сирої води 1, тоді за допомогою насоса 2 перекачується у фільтр для освітлення води 3. Після цього вода очищується у фільтрі очистки від солей 4 і подається у дозатор 5 і насосом передається у теплообмінник «труба в трубі» 6. 7 - збирач конденсату. Цукор і добре прогріта вода потрапляють у мішалку 8, в якій при перемішуванні і підігріві проходить часткове розчинення цукру і суміш перетворюється в кашу. Після чого вона неперервно подається насосом 2 в середину змійовика вороночної колонки. Висококонцентрована суміш нагрівається і відбувається повне розчинення цукру. Тоді цукровий сироп поступає на станцію для його збору.

.Список використаної літератури

1.Процеси і апарати харчових виробництв: Метод. вказівки до виконання контрольних робіт для студ. техн.. спец. заочної форми навч../Уклад.: І.Ф. Малежик, Л.В, Зоткіна, П.М. Немирович, О.В.Саввова - К.: НУХТ, 2002.-64 с.

2.Проектування процесів і апаратів харчових виробництв. Під ред.. В.Н. Стабнікова. - Київ, Вища школа. Головне вид-во, 1989. - 199с.

.Методические указания к выполнению курсовых проектов по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств» для студентов технологических специальностей всех форм обучения/ сост. П.С. Цыганков. - К.: КТИПП, 1989. - 48 с.

.Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник. За ред.. проф.. І.В. Малежика. - К.: НУХТ, 2003. -400с. іл.

.Никитин В.С., Бурашников Ю.М. Охрана труда на предприятиях пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат., 1991. - 350с.іл.

.Методичні вказівки до виконання курсових проектів з дисципліни «Процеси і апарати харчових виробництв»/ Розділ «Теплообмінні апарати»/ для студентів усіх спец. ден. і заоч. форми навчання/ Укл. П.С. Циганков, О.П. Ніколаєв. - К.: НУХТ, 1995. - 24 с.

.Иоффе И. Л. Проектирование процес сов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

.Лунін О. Г., Вельтищев В. Н. Теплообмінні апарати харчових виробництв. - М.: Агропромиздат, 1987. 239 с.

.Стахеев И. В. Пособие по курсовому проектированию процессов и аппаратов пищевых производств. - М.: Высшая школа, 1975. - 285 с.

.Стабников В. Н., Лысянський В. М., Попов В. Д. процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1985. - 503 с.

Вступ Нагрівання й охолодження рідин і газів належать до найпоширеніших процесів у різних галузях харчової промисловості. Залежно від температурних та ін

Больше работ по теме: