Проект теплообмінника “труба в трубі” для нагріву води

Міністерство  освіти і науки України

Національний  університет

харчових  технологій 

 Кафедра “Процесів і апаратів харчових виробництв

та  технологій консервування”                                                                
 
 
 

Курсовий  проект

з дисципліни “Процеси і апарати”

на тему:

”Проект теплообмінника “труба в трубі” для нагріву води” 
 
 
 
 

                Виконала:

                студентка гр. ТММ-III-4

                Бєбнєва А.О.

                Керівник:

                доц. Мельник Л. М. 
                 
                 
                 
                 
                 

КИЇВ  2004

 

Зміст

    1.Призначення,  принцип дії, опис теплообмінника типу „труба в трубі”,  його переваги та недоліки.

    2.Розрахунок  теплообмінника:

      a) тепловий розрахунок;

      б) конструктивний розрахунок;

      в) гідравлічний розрахунок;

      г) техніко-економічний  розрахунок;

      д) розрахунок оптимального режиму.

    3.Висновок.

    4. Список літератури.

  
 

Графічний матеріал:

  • загальний вигляд апарата;
  • фрагмент технологічної схеми;
  • схема алгоритму;
  • програма обчислення;
  • графік техніко-економічного розрахунку.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        . Призначення, принцип  дії, опис теплообмінника  типу „труба в  трубі”, його переваги та недоліки.

 

      Теплообмінники—це апарати, в  яких відбувається теплообмін  між робочими середовищами  незалежно  від їх технологічного чи енергетичного  призначення (підігрівачі, випарники,  конденсатори, пастеризатори, економайзери).

    Технологічне  призначення теплообмінників різноманітне. Загалом розрізняють теплообмінники, в яких передача тепла—основний процес, і реактори, де тепловий процес відіграє допоміжну роль.

    Класифікація  теплообмінників можлива за різними  ознаками.

    За  способом передачі тепла розрізняють теплообмінники змішування, в яких робочі середовища безпосередньо дотикаються або перемішуються, і поверхневі теплообмінники—рекуператори, в яких тепло передається крізь поверхню нагріву—тверду (металічну) стінку, яка розділяє ці середовища.

    За  основним призначенням розрізняють підігрівачі, випарники, холодильники, конденсатори.

    В залежності від виду робочих середовищ  розрізняють теплообмінники:

  а)  рідинно-рідинні—при теплообміні між двома різними середовищами;

  б) паро-рідинні— при теплообміні між парою і рідиною (конденсатори, парові підігрівачі);

  в)  газорідинні— при теплообміні між газом і рідиною (холодильники для повітря) та ін.

      За тепловим режимом розрізняють  теплообмінники періодичної дії,  в яких спостерігається нестаціонарний  тепловий процес, і безперервної дії з установленим в часі процесом. Як тепловий носій найчастіше застосовується насичена чи перегріта пара.

    Водяна  пара як теплоносій має безліч переваг: легкість транспортування по трубах і регулювання температури, висока інтенсивність тепловіддачі та ін.

    Застосування  пари особливо вигідне при використанні принципу багатократного випарювання, коли випарювана з продукту вода прямує у вигляді гріючої пари в інші випарні апарати і підігрівачі.

    Загальним недоліком парового і водяного підігріву є швидке зростання тиску з підвищенням температури. В умовах технологічної апаратури харчових виробництв при паровому і водяному обігріві найвищі температури обмежені 150…160ºС , що відповідає тиску (5÷7)*10 Па.

    В окремих випадках застосовується масляний підігрів, який дозволяє при атмосферному тиску досягнути температур до 200ºC.

    Широко  застосовується обігрів гарячими газами і повітрям (до 300-1000ºС) в печах, сушильних  установках. 
 

    

    

    Газовий підігрів відрізняється багатьма недоліками:

  • важкістю регулювання і транспортування теплоносія;
  • малою інтенсивністю теплообміну;
  • забрудненням поверхні апаратури (при використанні поточних газів) та ін.

    Однак в деяких випадках він є єдиним можливим.

      В холодильній техніці використовується ряд холодоагентів: повітря, вода, розсоли, аміак, фреон, вуглекислота та ін.

      Для нагрівання та охолодження різних середовищ розроблені теплообмінники різноманітних конструкцій.

      При невеликих теплових навантаженнях, коли потрібна поверхня теплообміну не перевищує 20-30м², доцільно застосовувати теплообмінник типу „труба в трубі”. Такий теплообмінник складається з декількох послідовно сполучених елементів. Кожен елемент складається з 2-ох труб, встановлених одна в одну. Елементи з’єднані в батарею послідовно, паралельно або комбіновано. При цьому труби з’єднують з трубами і кільцеві простори—кільцевими просторами. Швидкість робочих тіл і коефіцієнт теплопередачі K залежить від діаметрів внутрішньої і зовнішньої труб, при виборі відповідних діаметрів можна обом робочим тілам надавати бажану швидкість і досягнути високих значень.

      В даний час, згідно ГОСТ-9930-78 виготовлюють теплообмінники „труба в трубі” наступних типів:

  1. розбірні одно поточні малогабаритні;
  2. розбірні одно- і двопоточні малогабаритні;
  3. розбірні одно габаритні;
  4. нерозбірні одно поточні;     
  5. розбірні багато поточні.

      Перевагою таких теплообмінників  є дотримання протитечії, що забезпечує  найповнішу ступінь використання  теплоносія.

      Недоліки: громіздкість і велика  витрата металу.

      Та не дивлячись на це, швидкісні теплообмінники знаходять широке застосування, особливо при високих тисках і дорогому теплоносієві. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  . Розрахунок теплообмінника

Вихідні дані

 
 

Продуктивність  апарата, G.................................................... 19 т/год
Температура продукту:
  • початкова, t ..................................................................
  • кінцева, t .........................................................................
 
 
13 ºC

97 ºC

Тиск  гріючої пари, P................................................................... 0,35 MПa  
Швидкість руху продукту, w.................................................... 0,9 м/с
Вартість 1м² сталі, C............................................................... 500 грн/м²
Головна частина амортизаційних відрахувань, a ............... 0,1 %
Вартість 1кВт/год електроенергії, C..................................... 0,15грн
Кількість годин роботи теплообмінника за рік,t.................. 7420 год
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

а) Тепловий розрахунок апарата. 

    1.Середня  різниця температур між парою  і водою визначається як середня  логарифмічна:

    При р=0,35МПа  t =139 ºC

                               

    де  — різниці температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника.

    2.Теплофізичні  властивості рідини, що нагрівається  ми беремо із таблиці:

    µ=559,5*10 (Па*с)

    ρ=985,5 (кг/м )

    с=4,18 Дж/(кг*К)

    λ=0,6535 Вт/(м*К)

    І=2732 кДж/кг

    Pr=3,26

3. Теплове  навантаження апарату:

Q=x*G*c(t

-t
),

    де  х=(1,02...1,05)—коефіцієнт, який враховує втрати теплоти в навколишнє середовище ;

    G—витрата  рідини, кг/с;

    с—теплоємність  рідини, Дж/(кг*К)  

Q=1,02*5,27*4,18*10³(97-13)=1,94*10

(Вт)

4. Витрати  пари:

D=

,

    де I, i—ентальпія нагрівної пари і конденсату, Дж/кг

5.Ентальпія  конденсату:

i=c*t

=4190(t
-2)=4190*(139-2)=574,03*10³(Дж/кг)

    Внутрішній  діаметр:

    

    За  ГОСТ(ом) приймаємо d =0,087 м

6.Розрахунок коефіцієнта теплопередачі:

K=

,

      де  —товщина стінки = 4мм;

      λ—коефіцієнт теплопровідності матеріала стінки = 17,5 (Вт/м*К)

    

    

7.Визначення режиму руху:

Re=

,

    Отже режим руху води в трубі — турбулентний.

9.Критерій Нусельта:

Nu=0,021*Re

*Pr
=0,021*137917,1
*3,26
=451,43

10.Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води:

α

=
(Вт/м²*К)

    Задаємо t =126ºC

t

t

    За  таблицею знаходимо розрахунковий  коефіцієнт, який залежить від властивостей конденсату: A=192,4

(Вт/м²*К),

      де r—теплота пароутворення, кДж/кг;

    H—довжина труби, м

К=

t

11.Площа поверхні теплопередачі:

                
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

б) Конструктивний розрахунок

    Внутрішній діаметр труби:

    

    Загальна  довжина труби:

    Число елементів теплообмінника:

    Внутрішній  діаметр кожуха (внутрішній діаметр зовнішньої труби):

     —об’ємна витрата пари в міжтрубному просторі труб

    w—швидкість для поля 20÷40 (м/с)

    Діаметр патрубків:

—для  входу пари в апарат:

  

—для  виходу конденсату з апарату:

  

—для  входу і виходу води:

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

в) Гідравлічний розрахунок 

    Потужність  апарата:

    Коефіцієнт  опору тертя:

    Сума коефіцієнтів місцевих опорів:

    Гідравлічний опір руху води в апараті:

    Необхідна потужність:

  
 

г) Техніко-економічний розрахунок 

(грн.)

(грн.)

(грн.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г) Розрахунок оптимального режиму 

    Проводимо розрахунок при  w=0,5 м/с

    Критерій  Рейнольдcа:

    режим руху води в трубі —турбулентний, отже використовуємо таку формулу  для визначення критерія Нусельта:

    Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води:

    Коефіцієнт тепловіддачі від конденсованої пари до стінки:

    Коефіцієнт  теплопередачі:

    Площа поверхні теплопередачі:

    Коефіцієнт  опору тертя:

(Вт/м*К)

    Гідравлічний  опір руху води в апараті:

    Потужність  апарата:

(грн.)

(грн.) (грн.) 
 
 
 
 
 

    Проводимо розрахунок при w=1,6м/с

    Критерій  Рейнольдса:

    Критерій  Нусельта:

    Коефіцієнт  тепловіддачі від стінки до води:

    Коефіцієнт  тепловіддачі від конденсованої пари до стінки, який знайдений раніше:   

    Коефіцієнт  теплопередачі:

    Площа поверхні теплопередачі:

    Коефіцієнт  опору тертя:

    Гідравлічний  опір руху води в апараті:

    Потужність  апарата:

(грн.)
(грн.)

(грн.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Проводимо розрахунок при w=2,4м/с

    Критерій  Рейнольдса:

    Критерій  Нусельта:

    Коефіцієнт  тепловіддачі від стінки до води:

    Коефіцієнт  тепловіддачі від конденсованої  пари до стінки, який знайдений раніше:   

    Коефіцієнт  теплопередачі:

    Площа поверхні теплопередачі:

    Коефіцієнт  опору тертя:

    Гідравлічний  опір руху води в апараті:

    Потужність  апарата:

(грн.)
(грн.)

(грн.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема алгоритму для  розрахунку теплообмінника. 

                                                          Початок 

                                                 Re, d, ro, w, l, kkd, S1,

                                                           S2, S3,V  

                                             lamda=0,316/(Re^0,25) 

                            

                                                SumS=S1+27*S2+S3 

deltap=(lamda*l/d+SUMS)*(w^2*ro)/2 

                           

                                                     N=V*deltap/kkd

                                  

                                             lamda, SumS,deltap,N 

                                               Кінець

         

                                                                         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Програма  гідравлічного розрахунку теплообмінника “труба в трубі” 

    CLS

    d = .087

    Re = 137917.1

    ro = 985.5

    w = 1.6

    l = 88.8

    kkd = .6

    S1 = .5

    S2 = 1

    S3 = 1

    V = .0053

    lamda = .316 / (Re ^ .25)

    SumS = S1 + 27 * S2 + S3

    deltap = (lamda * l / d + SumS) * (w ^ 2 * ro) / 2

    N = V * deltap / kkd

    PRINT "lamda="; lamda, "SumS="; SumS, "deltap="; deltap, "N="; N

    END 

Результати  розрахунку:

lamda= 1.424769E-02         SumS= 28.5    deltap= 54233,09    N=479,10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

Література 

  1. Лунин О.Г. “Теплообменные апараты пищевых производств”
  2. Стабников В. М. „Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств”
  3. Дитнерский Ю. И. “Основные процеси и аппараты химической технологии”
  4. Липатов Н.Н., Сурков В. Д. “Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности”
  5. Будорагина Л.В., Ростроса Н.К. ”Производство кисломолочных продуктов”.

 

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Висновок:  

Проект теплообмінника “труба в трубі” для нагріву води