Конструктивный расчет аппарата для предварительного подогрева сока перед упариванием

Романцова Е.А.

Курсовой проект

Конструктивный расчет аппарата для предварительного подогрева

сока перед упариванием

 

                                                  Содержание                                       стр

Введение

- Обзор и сравнительный  анализ теплообменных аппаратов

-Описание технологического  процесса

2. Теплотехнический расчет

3. Конструктивный расчет

4. Гидравлический расчет

5. Расчет тепловой  изоляции

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

Сделать рамки на каждом листе

 

 

 

 

 

Введение

Обзор и сравнительный анализ теплообменных аппаратов.

В технологических процессах пищевой промышленности широко применяется тепловая обработка сырья и полуфабрикатов, которая проводится в теплообменных аппаратах.

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для непрерывной передачи тепла от потока одной рабочей среды – горячий теплоноситель, к потоку другой среды – холодный теплоноситель, для осуществления различных тепловых процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, повышения концентрации (выпаривания) растворов, ректификации и т.п.

Как известно, существует множество типов теплообменников (ТО). Они разделяются на поверхностные (рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой) и смесительные. ТО поверхностного типа в свою очередь делятся на кожухотрубные, типа «труба в трубе», витые, погружные, оросительные, спиральные,  пластинчатые и кожухопластинчатые. 
В настоящее время наибольшее распространение нашли кожухотрубные, пластинчатые и кожухопластинчатые теплообменники. Давайте рассмотрим особенности их применения при работе на водяном паре.

 
 
 
Рисунок 1. Конструкция кожухотрубного теплообменника 
 
 Кожухотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрический кожух (корпус) таким образом, что внутренность корпуса является межтрубным пространством. Теплообменные трубки завальцованы в концевых трубных досках, приваренных к корпусу теплообменника. В некоторых кромки трубок дополнительно обвариваются для гарантии герметичности соединения. Промежуточные трубные решетки предназначены как для поддержки трубок, так и для организации поперечного тока среды. К трубным доскам крепятся камеры с патрубками для отвода среды, текущей внутри трубок. В зависимости от наличия и количества в камерах перегородок, теплообменники могут быть одноходовыми, двух- или многоходовыми относительно движения среды, текущей в трубках. Также корпус снабжен патрубками для подвода пара и отвода конденсата. Трубки изготавливают из углеродистой или нержавеющей стали, меди, латуни или титана. Корпус обычно выполняется из углеродистой или нержавеющей стали. Когда теплообменник нагревается, происходит его удлинение. Существует несколько способов компенсации температурных расширений, например, применение «плавающей головки» или межсекционных компенсаторов. Кожухотрубные теплообменники обычно используются при давлении насыщенного пара выше 15 бар или при температуре выше 190°С, а также при перегретом паре.  

Преимущества и недостатки

 
Кожухотрубные теплообменники характеризуются стойкостью к гидроударам, пониженными требованиями к чистоте сред, относительно низким коэффициентом теплопередачи и, как следствие, большими габаритами и площадями, требуемыми для обслуживания, а также высокой ценой из-за большой металлоемкости. Кроме того, ремонт таких теплообменников обычно связан с заглушкой поврежденных трубок, что ведет к уменьшению площади теплообмена. Поэтому обычно теплообменники выбираются с большим запасом по поверхности, что также обуславливает их большие габариты.  
Попытка регулирования по конденсату на горизонтальных кожухотрубных теплообменниках вызывает сложности. Это происходит по причине того, что при незначительном изменении уровня конденсата, площадь теплообмена меняется нелинейно и намного существеннее. 
Тем не менее, современные кожухотрубные теплообменники по показателям эффективности, коэффициенту теплопередачи и габаритам приближаются к пластинчатым и кожухопластинчатым теплообменникам. 
Это достигается за счет применения так называемых турбулизаторов потока — перегородок в трубках и межтрубном пространстве, а также рифленых трубок, в которых поток среды сильно турбулизирован, что ведет к повышению коэффициента теплопередачи, и, как следствие, к уменьшению габаритов. В последнее время для уменьшения использования производственной площади применяются вертикальные кожухотрубные теплообменники. Они позволяют организовать регулирование по конденсату, если это необходимо.

                                            Применение 
Кожухотрубные теплообменники чаще всего применяются в химической, нефтяной, газовой промышленности, а также большой теплоэнергетике, где используются теплоносители высоких параметров. Кроме этого их

можно встретить на пивном, молочном и других пищевых производствах.

                               Пластинчатые теплообменники

Передача тепла в пластинчатых теплообменниках осуществляется через стальные гофрированные пластины, которые установлены в раму и стянуты в пакет.  Для максимального увеличения эффективности применяют несколько видов гофрирования. Комбинируя их, можно добиться существенной турбулизации потока и, как следствие, максимального коэффициента теплопередачи. Пластины делают из углеродистой и нержавеющей стали, а также титана и других материалов. Существуют разборные, паянные и сварные пластинчатые теплообменники. 
 
 
Рисунок 2. Конструкция пластинчатого теплообменника

 

 

Преимущества и недостатки

 
Давление и температура водяного пара в разборных пластинчатых теплообменниках ограничиваются материалами прокладок. Прокладки из материала EPDM выдерживают до 160°С (давление насыщенного пара до 5 бар), материала Viton - до 190°С (давление до 11 бар). Существуют графики зависимости времени работы прокладок от рабочей температуры в теплообменнике – чем ближе она к максимальной, тем меньше срок службы прокладок. Кроме того, материал прокладок накладывает ограничения на применение рабочих сред, таких как кислоты, щелочи и пр. Паянные пластинчатые теплообменники используются при давлении до 40 бар и температуре до 350°С. Сварные – при давлении до 70 бар и температуре до 540°С. 
Все пластинчатые теплообменники характеризуются высокими коэффициентами теплопередачи, и как следствие, малыми габаритами, меньшей ценой, высокой ремонтопригодностью, более быстрым выходом на режим при более точном регулировании. При постоянных нагрузках их конструкция позволяет осуществлять достаточно точное  регулирование по конденсату. Кроме того, высокие скорости теплоносителей, как утверждают производители, способствуют меньшему накипеобразованию, и, как следствие, увеличению межсервисного интервала. Если требуется, площадь теплообмена  пластинчатого теплообменника можно легко увеличить или уменьшить путём оснащения дополнительными пластинами или, наоборот, демонтажем части пластин.  Следует отметить, что максимальная эффективность достигается на теплообменниках, имеющих пластины со специальным профилем, разработанным для применения на паре.

Применение

 
Большое распространение такие теплообменники получили в коммунальной энергетике, в теплопунктах отопления, вентиляции и ГВС. Пластинчатые теплообменники применяются там, где предъявляются повышенные требованию к небольшим габаритам и быстрому выходу системы на рабочий  режим: нагрев и охлаждение воды в стерилизаторах, пастеризация молока. 

 

Кожухопластинчатые теплообменники

 
 
Рисунок 3. Конструкция кожухопластинчатого теплообменника

 

 

Принцип действия

 
Кожухопластинчатый теплообменник представляет собой сварной пакет пластин, помещенный в цилиндрический корпус. Принцип действия почти такой же, как у пластинчатых теплообменников. Одна среда движется между гофрированными пластинами, а вторая среда в пространстве между пластинами и корпусом. Используются различные материалы, в зависимости от применения – углеродистая, нержавеющая сталь, титан, хастеллой и пр.

Преимущества и недостатки

Кожухопластинчатый теплообменник совмещает в себе все преимущества кожухотрубных и пластинчатых теплообменников. Они характеризуются высоким коэффициентом теплопередачи и стойкостью к высоким температурам и давлениям (до 900°С и до 140 бар). Недостатком можно считать неразборную конструкцию сварных пакетов пластин и трудности с их очисткой от накипи. Однако при работе на паре это не имеет значения, т.к. паровая сторона практически не дает отложений, а водяная сторона пригодна для чистки. Также существует технология постоянной очистки пакета пластин во время работы путем установки на корпусе специальных генераторов ультразвука.    
 

Применение

 
Кожухопластинчатые теплообменники нашли широкое применение в нефтяной и химической промышленности, теплопунктах отопления, вентиляции и ГВС, холодильной промышленности, а так же для утилизации тепла конденсатных баков. Они одинаково хорошо регулируются как по пару, так и по конденсату. 

Выбор теплообменника

 
Подводя итоги, можно сказать, что каждый тип теплообменника нашел свою нишу в ряде производств и технологических процессов. Не редки случаи, когда возможно применение всех типов теплообменников, и выбор в каждом конкретном случае зависит от того, что является решающим фактором – тип сред, расчетные параметры, габариты, удобство эксплуатации, стоимость, а также личные предпочтения Заказчика.

Поверхностные теплообменники

Рекуперативные теплообменники

Рекуперат́ивный теплообме́нник — теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, через стенки между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными- при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными - при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Часто под рекуперативным теплообменником ошибочно понимается регенеративный противоточный теплообменник. (В нём вместо уравнивания температурных потенциалов происходит их обмен, потери могут составлять до 30 %).

Теплообменник для газовой промышленности

Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники :

• Кожухотрубные теплообменники,

• Элементные (секционные) теплообменники,

• Двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе",

• Витые теплообменники,

• Погружные теплообменники,

• Оросительные теплообменники,

• Ребристые теплообменники,

• Спиральные теплообменники,

• Пластинчатые теплообменники,

• Пластинчато-ребристые теплообменники,

• Графитовые теплообменники.

• фторопласт-Тефлоновые теплообменники.

 

                  Регенеративные теплообменники

В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным.

                      Смесительные теплообменники

Смеси́тельный теплообме́нник (или конта́ктный теплообме́нник) — теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников). Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА — теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло. Однако, пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

                        Конструкции теплообменников

Конструкционно теплообменники подразделяют на:

• объемные одна из сред имеет значительный объем в теплообменнике, одна среда сосредоточена в баке большого объема, вторая протекает через змеевик;

• скоростные (кожухотрубные) среды движутся с достаточно большой скоростью для увеличения коэффициента теплоотдачи, много мелких трубок находятся в одной большой трубе (кожух), среды движутся одна в межтрубном пространстве, другая внутри трубок, обычно в трубках находится более «грязная» среда, так как их легче чистить;

• пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин, среды движутся между пластинами, прост в изготовлении (штампованные пластины складываются с прокладками между ними), легко модифицируется (добавляются или убираются пластины), хорошая эффективность (большая площадь контакта через пластины).

• пластинчато-ребристый теплообменник в отличие от пластинчатого теплообменника состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам методом пайки в вакууме.С боков каналы ограничиваются брусками, поддерживающими пластины и образующими закрытые каналы. Таким образом, в основу пластинчато-ребристого теплообменника положена жесткая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сотовому принципу и работоспособная (даже в исполнении из алюминиевых сплавов) до давления 100 атм. и выше. В пластинчато-ребристых теплообменниках существует большое количество насадок, что позволяет подбирать геометрию каналов со стороны каждого из потоков, реализуя оптимальную конструкцию. Основные достоинства данного типа теплообменников - компактность (до 4000 м2/м3) и легкость. Последнее обеспечивается за счет применения при изготовлении теплообменной матрицы пакета из тонколистовых деталей из легких алюминиевых сплавов.

• Оребренные пластинчатые теплообменники, ОПТ состоит из тонкостенных оребренных панелей, изготовленных методом высокочастотной сварки, соединенные поочередно с поворотом на 90 градусов. За счет конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры греющих сред, небольшие сопротивления, высокие показатели отношения телепередающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стоимость и др. Часто используются для утилизации тепла отходящих газов.

• спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна. Среды движутся по своим каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.

При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменниками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопередачи которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухотрубных .

        А какой аппарат выбрали Вы ? И почему?

 

 

Введение ОТЛИЧНОЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Данные для расчета

Начальная температура томатного сока tсн = 18˚С

Конечная температура томатного сока tск = tкип

Нагреваемый продукт – томатный сок  перед упариванием

Производительность теплообменника G = 3,5м/час

Греющий агент – водяной пар давлением

Давление греющего пара Ргр = 400 КПа

Степень сухости пара Х=0,95

 

При давлении пара Р=400КПа    tп=143ос     ( СМ. далее расчеты)

Это же касается и  др. параметров пара   ( r=……)  см.  табл. Вукаловича М.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Теплотехнический  расчет

В основе теплотехнического расчета лежит основное уравнение теплопередачи:

Q=KˑFˑtср

Где :

 Q - количество тепла, переданное от одного теплоносителя к другому в единицу времени, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/ м2ˑК;

F – поверхность нагрева аппарата, м2;

tср – средний температурный напор, ˚С.

В непрерывных процессах теплообмена при движении теплоносителей вдоль поверхности нагрева температура их изменяется. Обычно в расчетах пользуются средней разностью температур tср, которую находят по формуле:

tср= , если

Где,tБ , -большая и меньшая разность температур, ˚С

Большая и меньшая разность температур находится по формуле:

Где график изменения температур ?          tкип.=  ?  -   ( найти)

tБ = tП-tмн=138-18=120˚С

=tП-tмн =138-88=50˚С

 

tср=

Находим среднюю температуру сока:

tC=tN-tср=138-80,45 =57,55              и  т.д.>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

определим !теплофизические показатели сока при данной температуре: ???

Плотность: ρ=983,2 кг/м 3

Удельная теплоемкость: с = 4204Дж/(кг К)

Коэффициент теплопроводности: λ= 0,659 Вт/(м К)

Кинематический коэффициент вязкости: ν= 0,479x10 6 м 2 /с

Значение критерия Прандтля: μ=0,0048 Па  с

Тепловая нагрузка любого теплообменника определяется по уравнению теплового баланса. При нагревании продукта паром уравнение теплового баланса имеет вид:

Q=Dˑrˑx=GМˑcМ(tмк-tмн)ˑφП,

где, D,Gм - количество пара и сока проходящих через аппарат за единицу времени (массовый расход), кг/с;    Gс= 3,5х1000/ 3600 = 0,97 кг/с

cМ - средняя удельная теплоемкость сока, Дж /кг К;

tмк-tмн - конечная и начальная температура сока , ˚С;

φП=1,031,05 (т.е. 3-5% от полезно затраченного тепла);

x - степень сухости пара;

r - удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Находим расход пара из уравнения теплового баланса:

D=кг/c     и т.д.

Объемный расход пара и сока находим по формуле:

 м3/c

м3/c

Где, ρм, ρп - плотности пара и сока, кг/м 3

Выбираем путь движения сред (сока).

Диаметр внутренней трубы определяем по формуле:

==0,023 м

По ГОСТ 9930-78 принимаем ближайшее значение диаметра, равное 25х2мм

Внутренний диаметр наружной трубы определяем по формуле:

 

Где,-средние скорости  течения сока и пара в трубах, м/с;

                               (принимаем w=2 м/с)

Оптимальный диаметр наружной трубы по ГОСТ 9930-78 равен57*3 мм.

Уточняем скорость течения пара в межтрубном пространстве:

 

Уточняем скорость течения продукта и режим течения среды.

Скорость течения продукта должна быть не более 3 м/c,а режим –

Турбулетным (Re >10000):

 

Критерий Рейнольдса  рассчитываем по формуле:

 

Где, - коэффициент динамической вязкости,

Расчетная формула критерий Нуссельта (Nu) при переходном режиме рассчитывается по формуле:

 

 

Где,Pr –критерий Прандтля,характеризующий физическое свойсво теплоносителя.

При нагревании житкости коэффициент(Pr/Prcт)можно принять равным 1,05;              Е=1

Коэффициент теплоотдач от стенки внутренней трубы к соку рассчитывается:

 

• Где,-коэффициент теплопроводности среды ,,

-внутренней диаметр внутренней трубы,м.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке находим по формуле:

 

Где, А  -коэффициент ,зависящей от расположения поверхности нагрева, для горизонтальных труб       -       0 ,728;

R удельная теплота парообразования, ДЖ/кг;

p- плотность плёнки конденсата, кг/;

λ- коэффициент теплопроводности плёнки конденсата,;

V – коэффициент киниматической вяскозти конденсата , м/с;

- перепад температур между  паром и стенкой(находится в  пределах)

 

Н – высота стенки , для горизантальных труб Н=d,м.

Определяем коэффициент теплоотдачи с помощью метода последовательных приближений : при установившемся тепловом режиме удельный тепловой поток  , т. е. количество тепла , переданного от горячего теплоносителя к холодному через единицу поверхности теплопередачи в единицу времени ,постоянен:

 

Где,– средняя разность температур,

-разность температур  пара и стенки со стороны  пара,;

 - разность температур по обе стороны стенки,;

-разность температур  стенки со стороны продукта  и средней температуры продукта,;

-коэффициент  теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке,;

- суммарное термическое  сопротивление стенки.

Суммарное термическое сопротивление стенки можно найти по формуле:

=0,00055…….

Где, -толщина стенки, м;

-коэффициент теплопроводности,

- толщина загрязнения стенки, м;

- коэффициент  теплопроводности слоя загрязнителя  стенки,

                                      Первое приближение

Температуру наружной поверхности стенки трубы принимаем:

     и т.д.

Все параметры пленки конденсата зависят от ее температуры, которую можно найти по формуле:

 

Плотность пленки конденсата,

 

Коэффициент теплопроводности

 

Кинематический коэффициент вязкости, /с

 [4]

 

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к стенке трубы рассчитывается по формуле:

            и  т.д.------------------

Температуру внутренней поверхности стенки трубы рассчитываем по формуле:

 

 

Удельный тепловой поток соку от стенки трубы рассчитывается по формуле:

 

                                       Второе приближение.

Температуру наружной поверхности стенки трубы принимаем, равной:

 

Все параметры пленки конденсата зависят от ее температуры, которую  можно найти по формуле:

 

Плотность пленки конденсата, кг/

P=932,45кг/

Коэффициент теплопроводности,

 

Кинематический коэффициент вязкости, /с 

 [4]

 

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к стенке трубы можно найти по формуле:

 

Температуру внутренней поверхности стенки трубы рассчитываем  по формуле:

Удельный тепловой поток соку от стенки трубы  определяю по  формуле:

 

Задавшись двумя значениями    и определив для этих значений удельный тепловой поток строят график зависимости по которому определяют значение, при котором g=const.

                                    Где  график??????

 

Проверочный  расчет:

 

 

 

 

Плотность пленки конденсата,

P=932,45

Коэффициент теплопроводности,

 

 

Кинематический коэффициент вязкости, /с

 

Рассчитав значение температуры стенки , уточняют значение коэффициента теплоотдачи :

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к  стенке трубы рассчитываю по формуле:

Температура  внутренней поверхности стенки трубы рассчитываю по формуле:

Рассчитываю удельный тепловой поток, переданный от стенки трубы к соку:

 

 

                                           Погрешность расчета:

        ???!!!

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки определяется по формуле (коэффициент теплопередачи К является основной величиной, характеризующей эффективность работы теплообменных аппаратов):

 

Где- коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к стенке,

-коэффициент  теплопередачи от стенки к  холодному теплоносителю (продукту),

- толщина стенки с учетом  слоя накипи, м;

λ-Коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Конструктивный расчёт

 

Площадь поверхности теплообмена рассчитываю по формуле:

 

 

 

Общая длина трубы:

 

 

Где,  - средний диаметр трубы, м;