Проект теплообмінного апарату типу «труба в трубі» для нагрівання води на технологічні потреби підприємства

Міністерство  освіти і науки України

Національний університет  харчових технологій

 

                                         

                                                                                    Кафедра процесів і апаратів

                                                                                    харчових виробництв

 

 

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсового проекту  з дисципліни

«Процеси і апарати  харчових виробництв»

Проект теплообмінного апарату типу «труба в трубі»

для нагрівання води на технологічні потреби підприємства

 

 

 

 

                                                                                   Розробила студентка:

                                                                                  Групи ОП ІІ-2

                                                                                   Васюра Анна

                                                                                   Керівник проекту

                                                                                   доц. Запорожець Ю.В.

 

 

 

 

 

 

Київ 2013

 

 

Зміст

 

Вступ……………………………………………………………………….…… ..4

1.Описання проектованого  апарата…………………………………………….. 5

2. Розрахунки:………………………………………………………………… ….8

   2.1.Тепловий  розрахунок……………………………………………………. ...8

   2.2.Конструктивний розрахунок…...…………………………………….…...12

   2.3.Гідравлічний  розрахунок………………………………………….………14

   2.4.Розрахунок теплової ізоляції……………………………………….……..16

   2.5Розрахунок техніко-економічні показники роботиапарата……………...17

   2.6 Розрахунок оптимального режиму і конструкції апарата……………....18

   2.7 Конструктивний розрахунок для оптимальної швидкості……...………21

   2.8 Техніко – економічний розрахунок ЕОМ для оптимальної швидкості..23

3.Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі……….24

4.Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата і питання екології.25

Література………………...……………………………………………………...31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        

Вступ

        Температура  є одним з найважливіших технологічних  та економічних факторів для більшості промислових виробництв. Підтримання у апаратах необхідної температури майже завжди поєднується з необхідністю підводу, або відводу тепла з метою нагрівання або охолодження речовин, які обробляються. В усіх цих випадках, як наслідок, необхідно виконати перенесення тепла із одного місця виробництва в інше — від теплоносіїв до речовин, що нагріваються, від речовин, що охолоджуються до холодоагентів, від однієї частини тіла до іншої його частини. Процес переносу тепла називається теплообміном, його рушійною силою є різниця температур. Перенос тепла здійснюється трьома різними способами: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Кожний з цих способів має свої закономірності, які складають предмет теорії теплопередачі.

         До теплових процесів належать нагрівання, охолодження, конденсація, випаровування. Нагрівання — підвищення температури матеріалів, що переробляються, шляхом підводу до них тепла. Охолодження — зниження температури матеріалів, що переробляються, шляхом відводу від них тепла. Конденсація — зрідження пари будь-яких речовин шляхом відводу від них тепла. Випаровування — переведення будь-якої рідини до газоподібного стану шляхом підводу до неї тепла.

   Таким чином, у  теплових процессах взаємодіють не менше, ніж два середовища з різними температурами.

Основна характеристика будь-якого теплового процесу - кількість  тепла, що передається: від цієї величини залежать розміри теплообмінних апаратів. Основним розміром теплообмінного апарата є теплопередача робочої поверхні (поверхня теплообміну).

 

 

 

 

1. Опис проектованого апарату

Теплообмінник типу «труба в трубі» належить до поверхневих. В таких теплообмінниках обидва теплоносії відокремлені один від одного твердою стінкою, яка  приймає участь в процесі теплообміну й утворює так звану поверхню теплообміну (поверхню нагріву).

Теплообмінник типу «труба в трубі» належить також  до рекуперативних. В ньому один бік поверхні теплообміну весь час  омиває гарячий теплоносій, а другий – холодний. Теплота від одного теплоносія до другого передається крізь стінку з теплопровідного матеріалу, що їх розділяє.

Теплообмінник типу «труба в трубі» належить до протитечійних, тобто обидва теплоносії рухаються  в протилежних напрямках назустріч  один одному.

Теплообмінники цього типу складаються з кількох послідовно з'єднаних елементів, утворених двома концентричне розміщеними трубами (рис. 5). Один теплоносій рухається у внутрішніх трубах, а другий — у кільцевому зазорі між внутрішніми 1 і зовнішніми 2 трубами. Внутрішні труби окремих елементів з’єднані послідовно колінами (калачами) 3, а зовнішні – патрубками 4. Завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках «труба в трубі» досягають високих швидкостей руху теплоносіїв (для рідин 1,0…1,5 м/с) і високої інтнсивності теплообміну.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Переваги  теплообмінників типу «труба в трубі»:

- високий коефіцієнт  теплопередачі внаслідок великої  швидкості обох теплоносіїв; 

- простота виготовлення.

Недоліки  цих теплообмінників:

- громіздкість;

- висока вартість  зважаючи на велику витрату металу на зовнішні труби, що не беруть участь в теплообміні;

- складність  очищення міжтрубного простору.

Пластинчасті  теплообмінники.

Останнім часом  у харчовій промисловості для пастеризації і охолодження молока, пива, вина та інших продуктів, а також для нагрівання дифузійного соку поширились пластинчасті теплообмінники. Поверхню теплообміну в них створюють гофровані паралельні пластини 2. У складеному вигляді пластини стиснуті між нерухомою І та рухомою 3 плитами. Ущільнені пластини гумовими прокладками. Велика прокладка 4 (рис.  9, б) обмежує канал для проходження рідини І між пластинами крізь отвори 5 і 6. Малі кільцеві прокладки 7 ущільнюють отвори, крізь які протитечійно до рідини У надходить і виходить через отвори 8 і 9 рідина II. Продукт для оброблення у пластинчастому теплообміннику рухається тонким шаром (З... 6 мм), що сприяє інтенсифікації процесу. Завдяки

 рифленій  поверхні пластин при порівняно  малій швидкості руху рідини      (0,3...0,8 м/с) внаслідок штучної турбулізації потоку досягають високих коефіцієнтів теплопередачі при незначному гідравлічному опорі.

Конструктивні, експлуатаційні та теплотехнічні  переваги пластинчастих теплообмінників  сприяють дедалі ширшому застосуванню їх на підприємствах харчової промисловості. Недолік їх — велика кількість довгих ущільнювальних прокладок.

 

 

 

Спіральні теплообмінники.

У цих теплообмінниках  поверхню теплообміну утворюють  два зігнутих у вигляді спіралей металевих листи 1 і 2 (рис. 8), внутрішні кінці яких приварені до перегородки 3. Зовнішні кінці листів зварені один з одним. Між листами утворюються канали прямокутного перерізу, в яких рухаються теплоносії І і II. З торців канали закриті плоскими кришками 4 на прокладках.

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 теп-лообмінників слід вважати складність виготовлення та низький робочий тиск — до 10⁶ Па.

 

2. Розрахунки

2.1 Тепловий розрахунок

Вихідні дані:

Продуктивність G = 3 м³/год = 0,826 кг/с

Тиск нагрівної пари Р = 0,11мПа

Температура води:  на початку  t_1п  = 8ºC, в кінці t_1к = 70ºС

Густина води ρ = 991 кг/м³

Густина пари ρ = 0,6453 кг/м³

Теплоємність с = 4182 Дж/(кг · К)    

Динамічна в’язкість  μ = 670 · 10^-6  Па · с 

Теплопровідність  λ = 0,630 Вт/ (м · К)

Теплота пароутворення r = 2250000 Дж/кг

Ентальпія гріючої пари І = 2679000 Дж/кг

Температура гріючої пари t_р = 102ºC

Критерій Прандля Р r = 4,44

             

 

 

 

 Визначення  температурних умов нагріву

Визначення середньої  різниці між водою та паром:

                                 Δt_м = t_2п -  t_1к

Δt_м=102 -70 = 32ºС

                                Δt_б = 2t_к -  t_1п

Δt_б =102 -8 = 94ºС

, оскільки 2,94 > 2, то                                 

                           

 ºС

Визначення  середньої температури води                                

t_с = t_p - Δt_ср

Температура насиченої пари за тиску Р t_p = 102ºС

t_с= 102 -57,5 = 44,5ºС

              Визначення теплового навантаження апарата

                          Q = x · G · c · (t_1к· t_1п)

де  х = 1,02…1,05 – коефіцієнт, що враховує теплові втрати.  

Q = 1,02 · 0,826 · 4182 · (70-8) = 218451,96 Вт

Витрата пари:

          

I,і – етальпія  нагрівної пари та конденсату

I = 2679000  Дж/кг

і = с · t_2р

і = 4190 · (102-2)= 419000 Дж/кг

кг/с

 

                        

   Розрахунок коефіцієнта теплопередачі

Приймаємо швидкість  руху води:

w=0,9 м/с

Знаходимо критерій  Re.

d_в – діаметр внутрішньої труби, який визначається за формулою

       Обчислюємо діаметр внутрішньої  труби 

 м

За  ГОСТом приймаємо dв = 38 х 3.5 мм

> 10000 тому критеріальне рівняння для визначення критерію Нусельта має вигляд:

За знайденою  величиною визначаємо коефіцієнти  тепловіддачі

α₁, α₂ – коефіцієнти тепловіддачі відповідно для гарячого і холодного носія, Вт/(м²· К):

                                            

 Вт/(м² ·К)

 Температура стінки t_ст=93ºС :

Вт/(м² ·К)

 

     Загальний  коефіцієнт теплопередачі визначають  за формулою:

Вт/(м²· К)

Приймаємо, що труби  виготовлені з нержавіючої сталі, тоді  коефіцієнт теплопровідності  становить  λ_ст = 17,5 Вт/(м ·К), а товщина стінки δ = 0,004м.

  Вт/(м²· К)

К= К˳·φ – розрахунковий  коефіцієнт теплопередачі

К= 1658 · 0,8 = 1326 Вт/(м²· К)

Задану температуру  перевіряють за таким рівнянням:

 ºС

            Визначення площі поверхні теплопередачі:

     м²     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             

                            2.2 Конструктивний розрахунок

Визначаємо  діаметр внутрішньої труби

                                 

 м

За ГОСТом приймаємо dв = 38 х 3,5 мм

Визначення загальної довжини труби 

                                         

F – площа поверхні  теплопередачі

   м

Визначення  зовнішнього діаметру внутрішньої  труби

                                          d_з =d_в +2·δ

d_з = 0,038 + 2 · 0,004 = 0,045 м

Визначення  внутрішнього діаметру зовнішньої труби

                                      

ω  – швидкість  води в трубі = 20 м/с 

 м

За ГОСТом приймаємо Dв = 108 х 4 мм

Визначення  числа елементів теплообмінника

                                        

l - довжина труби одного змійовика  = 3 м

 

 

Діаметр патрубків для  входу і виходу продукту

 м

За ГОСТом приймаємо dпрод = 38 х 3,5 мм

Діаметр патрубків для  входу гріючої пари

 м

За ГОСТом приймаємо dпари = 219 х 6 мм

Діаметр патрубків  для входу конденсату

                      

Швидкість конденсату w_к = 20 м/с

 м 

Приймаємо за ГОСТом dконд=300 х 6 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.Гідравлічний розрахунок

 

Цей розрахунок потрібний  для визначення потужності насосів  для підкачування води, а також для встановлення оптимального режиму роботи теплообмінника.

Перевіряємо умову вибору рівняння для розрахунку коефіцієнта тертя λ.

Так як Re> 500 dв/Δ,

де Δ – абсолютна  шорсткість  0,01 мм. Коефіцієнт опору  тертя розраховуємо за формулою:

Приймаємо слідуючи місцеві опори на шляху руху води:

                               ∑ξ = ξ_вх + (n-1)ξ_пов + ξ_вих,

де ξ_вх – вхід в трубу = 1

ξ_вих -  вихід з труби = 1;

ξ_пов - поворот через коліно = 0,5

∑ξ = 1 + (8-1)·0,5 + 1 = 5,5

Знаходимо повний гідравлічний опір, який складається із втрат тиску на подолання опору тертя і на подолання місцевих опорів:

де λ –  коефіцієнт опору тертя;

L – довжина труби = 24 м;

d – діаметр труби = 0.038 м;

ρ - густина води = 991 кг/м^3;

 

 

 

w – швидкість руху  води = 0,9 м/с;

Потужність, що потрібна для  переміщення теплоносія через апарат:

                              

де  η –  коефіцієнт корисної дії насоса, який приймаємо рівним 0,8

 кВт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Розрахунок  теплової ізоляції

 

     Теплова  ізоляція – один із основних  факторів, які необхідні для безпечної,  продуктивної та економічно вигідної  роботи теплообмінника.

Для розрахунку теплової ізоляції приймаємо наступні значення:

t_і = 35ºС – температура на поверхні ізоляції;

t_п = 20ºС – температура повітря;

t_а = 102ºС – температура в апараті.

λ = 0,035 –  коефіцієнт теплопровідності для теплової ізоляції.

Знаходимо сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря:

                                 α = 9,76 + 0,07 ( t_і – t_п )

α = 9,76 + 0,07 ( 35 – 20 ) = 10,81 Вт/м²·К

Товщина теплової ізоляції:

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5Техніко - економічні показники роботи апарата

 

Визначаємо  амортизаційні витрати

                                        К_а = F · С_f · а,

де F – площа  теплообміну;

С_f – вартість 1 м² поверхні теплообміну апарата, яка складає 1800 грн/м²;

а – річна  частина амортизаційних відрахувань, яка становить 10%.

К_а = 2,86 · 1800 · 0,1 = 515,6 грн/рік

Визначаємо експлуатаційні витрати

                                       К_е = N · Се · τ,

де N – потужність електродвигуна насоса;

С_е – вартість 1 кВт·год електроенергії, яка становить 1,19грн/(кВт·год);

τ – кількість годин роботи теплообмінника за рік, яка складає 8760год.

К_е = 0,252 · 1,19 · 8760 = 2623 грн/рік

Отже, сумарні  затрати складають

К∑ = К_а + К_е

К∑ = 515,6 + 2623 = 3139 грн/рік

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         2.6 Розрахунок оптимального режиму і конструкції апарата

   

 Для побудови графіка  оптимізації і вибору оптимальної  швидкості руху продукту були  проведені розрахунки амортизаційних, експлуатаційних та сумарних  витрат при різних швидкостях  руху продукту:

     w₂ = 0,5 м/с ;  w₃ = 1,3 м/с

При     w₂ = 0,5 м/с

 м

За  ГОСТом dв = 48 х 4 мм

 Вт/(м² · К)

Температура стінки t_ст=93ºС :

Вт/(м² · К)

 Вт/(м² · К)

К= К˳· φ = 1268 · 0,8 = 1015 Вт/(м² · К)

ºС

 м²

 м

 

 

 

∑ξ = ξ_вх + (n-1)ξ_пов + ξ_вих = 1+ (9 -1) · 0,5 +1 =

 Па

 кВт

К_а = 3,75 · 1800 · 0,1 = 674,1 грн/рік

К_е = 0,112 · 1,19 · 8760 = 1173 грн/рік

К∑ = К_а + К_е

К∑= 674,1 + 1173 = 1847,1 грн/рік

 

 При     w₃ = 1,3 м/с

 м

За ГОСТом пиймаємо dв = 38 х 4 мм

Вт/(м² · К)

Температура стінки t_ст=92ºС

Вт/(м² · К)

 Вт/(м² · К)

К= К˳· φ = 1855· 0,8 = 1484

 ºС

 

 м²

 м

∑ξ = ξ_вх + (n-1)ξ_пов + ξ_вих = 1+ (8 -1) · 0,5 +1 = 5,5

 Па

 кВт

К_а = 2,6 · 1800 · 0,1 = 461 грн/рік

К_е = 0,329 · 1,19 · 8760 = 3435 грн/рік

∑К = К_а + К_е

∑К= 461 + 3435 = 3896 грн/рік

 

2.7 Конструктивний розрахунок

Для оптимальної швидкості( w = 0.5 м/с)

Визначаємо  діаметр внутрішньої труби

                                 

 м

За ГОСТом приймаємо dв  = 48 х 4 мм

Визначення  загальної довжини труби 

                                         

F – площа  поверхні теплопередачі

   м

Визначення  зовнішнього діаметру внутрішньої  труби

                                          d_з =d_в +2·δ

d_з = 0,048 + 2 · 0,004 = 0,056 м

Визначення  внутрішнього діаметру зовнішньої труби

                                      

ω  – швидкість  води в трубі = 20 м/с 

 м

За ГОСТом приймаємо Dв = 159 х 4,5 мм

Визначення  числа елементів теплообмінника

                                        

l - довжина труби  одного змійовика  = 3 м

 

 

Діаметр патрубків  для входу і виходу продукту

 м

За ГОСТом приймаємо dпрод = 48 х 4 мм

Діаметр патрубків  для входу гріючої пари

 м

За ГОСТом приймаємо dпари = 219 х 6 мм

Діаметр патрубків  для входу конденсату

                      

Швидкість конденсату w_к = 20 м/с

 м 

Приймаємо за ГОСТом dконд=300 х 6 мм

 

2.8 Техніко – економічний розрахунок ЕОМ

для оптимальної швидкості (w = 0.5 м/с)

 

 

 

 

 
3. Місце і призначення проектованого апарата в

технологічній схемі

Мінеральна вода із складин  джерела 1 під власним тиском або  за допомогою глибинного насосу подається  в герметично закритий збірник 3, встановлений в каптажній будівлі 2. Із збірника 3 мінеральну воду насосом 4 перекачують в збірник 5 для зберігання.

     Перед  наповненням залізничної цистерни 11 мінеральну воду насосом 4 подають  на фільтр 6, проти точний холодильник  7, через проміжну ємкість 8 на  сатуратор 9 і в знезаражувальну  установку 10.

     Попередньо воду нагрівають в теплообміннику 14 і подають насосом 13 в збірник-мірник 12.

     Дану  воду доставляють на станцію  наповнення автоцистерн 17, із  якої насосом 13 її перекачують  в збірник 16 для зберігання. Із  збірника 16 воду по потребі подають  через збірник-мірник 15 в збірник 14 для приготування робочих розчинів. Після мийки залізничної цистерни водою, її наповнюють на 2/3 питною водою, закривають верхні люки і через барботер 22 пропускають газоподібний хлор, який подають із балону 18 через колектор19 і редуктор 20, що оснащений запобіжним клапаном 21.

     Після барботування хлорною водою цистерну доливають питною водою до повного об'єму. Хлорну воду залишають в цистерні на протязі 1 години, після чого зливають і відмивають цистерну питною водою до видалення слідів хлору.

     При  заповненні залізничних цистерн  воду подають знизу. Заповнення  цистерни об'ємом 14 м³ продовжується 1 год. 15 хв.

 

 

 

 

 

 

4. Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата

та  питання екології

    Експлуатація  теплообмінників ведеться згідно з інструкцією, яка затверджується головним інженером підприємства. В ній зазначаються: порядок обслуговування апарату під час нормальних умов та дії працівників при виникненні аварійних ситуацій; права і обов`язки чергового персоналу; порядок огляду і ремонту обладнання; правила з техніки безпеки і протипожежної техніки.

    Теплообмінні  апарати повинні працювати в  оптимальному тепловому режимі, який відповідає технологічному  режиму теплової обробки продукту.

   Контролюючи  роботу апарату, черговий персонал повинен слідкувати за температурою і тиском вхідного теплоносія і температурою вихідного продукту.

    Черговий  повинен своєчасно реєструвати  в журналі показники роботи  апарату, відмічати в ньому  всі несправності і дефекти  в роботі.

    Кожен апарат  повинен мати свій порядковий  номер, чітко зображений на  його фронті. Той же номер повинно  мати все допоміжне обладнання, віднесене до цього апарату  (насоси, конденсатори і т.д.).

    Якщо  апарат не експлуатується більше  року чи підлягає ремонту із заміною листів, то перед запуском повинно бути проведена гідравлічна перевірка.

    На  процес теплопередачі великий  вплив чинить ступінь забруднення поверхні теплообміну, тому необхідно систематично чистити апарати для правильної їх експлуатації.

Спосіб очищення залежить від виду і ступеня забруднення, а також від конструкції апарату. Існують наступні способи очищення теплообмінних поверхонь:

 

 

Механічний. Для видалення м`яких осадів використовуються волосяні щітки і щітки із латунного дроту, металічні йоржі. Тверда накип видаляється

жорсткими дротяними щітками. Механічний спосіб часто пов`язаний з розбиранням апарату.

Хімічний. При цьому способі апарати заповнюють хімічними реактивами з наступним промиванням.

Гідравлічний. Застосовується для видалення нелипких відкладень – піску, листя і т.д. – за допомогою струменю води з підвищеною циркуляційною швидкістю.

Термічний. Використовується для видалення дуже твердого накипу. Суть способу полягає в прогріванні трубок парою з наступним зрошенням холодною водою. Внаслідок різкої зміни температури накип відокремлюється від стінок і потім змивається водою.