Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для охолодження продукту бродильної промисловості пиво «Жигулівське».

Міністерство  аграрної політики України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра інженерних технологій харчових виробництв

 

 

 

 

КУРСОВИЙ  ПРОЕКТ

з дисципліни „Процеси та апарати харчових виробництв”

 

Тема роботи: Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для охолодження продукту бродильної промисловості пиво «Жигулівське».

 

 

 

 

Керівник роботи Студент Група

Сабадаш С.М Гладкий О.В ХТЛ 1002-1

 

 

 

 

 

 

Суми  2012

Міністерство  аграрної політики України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра інженерних технологій харчових виробництв

 

 

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА  ЗАПИСКА

ДО  КУРСОВГО ПРОЕКТУ

з дисципліни „Процеси та апарати харчових виробництв”

 

Тема роботи: Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для охолодження продукту бродильної промисловості пиво «Жигулівське».

 

 

 

 

Керівник роботи Студент Група

Сабадаш С.М Гладкий О.В ХТЛ 1002-1

 

 

 

 

 

Суми  2012

 

Міністерство аграрної політики України та продовольства україни

Сумський національний аграрний університет

Факультет харчових технологій

Кафедра інженерних технологій харчових виробництв

 

Завдання на курсовий проект

з дисципліни „Процеси та апарати харчових виробництв”

 

Студента Гладкого О.В групи ХТЛ 1002-1 курсу 2

 

1. Тема курсової проекту ___„Розрахунок та проектування кожухотрубчатого теплообмінника для охолодження продукту бродильної промисловості пиво «Жигулівське»________________
2. Основні початкові дані: ___Розрахувати та спроектувати кожухотрубний теплообмінник (G=3,8 кг/с) для пастеризації продукту від початкової температури t₁=70 ⁰С до кінцевої t₂=10 ⁰С. Продукт потрапляє у трубний простір примусово за допомогою насосу та рухається по трубах зі швидкістю w=0,6 м/с, гарячий теплоносій (гріюча водяна пара) потрапляе у між трубний простір з t_п=1 ⁰С (горизонтальною конструкція теплообмінника)._____
3. Перелік обов’язкового графічного матеріалу: _технологічна схема дільниці пастеризації продукту, складальне креслення теплообмінника кожухотрубчатого, усього 1,25 листа формату А1____________________________________________________

 

Термін виконання  та подачі на кафедру до 20.04.2012

Строк захисту 23.04.2012-27.04.2012 року(згідно затвердженого розкладу)

 

Завдання видав  керівник роботи: ______________      ______      _____

                                     П.І.П             (підпис)     Дата

 

Завдання прийняв  студент: ______________      ______      _____

                                     П.І.П        (підпис)     Дата

 

зміст

ВСТУП Теоретичні основи процесу. Вибір конструкції апарату 1.1 Описання кожухотрубного  теплообмінника для проведення  технологічного процесу 5 1.2 Місце і призначення  теплообмінника в технологічній  схемі Розрахунково-конструкторська частина Тепловий розрахунок апарату Конструктивний розрахунок апарату Гідравлічний розрахунок апарату Розрахунки на міцність Розрахунки і вибір допоміжного обладнання Новизна прийнятих конструктивних та технологічних рішень ВИСНОВОК СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

с. 5   6   6   9   11 11 15 17 18 21 23   25   26

 

вступ

Нагрівання, охолодження, пастеризація та стерилізація належать до найпоширеніших процесів у різних галузях харчової промисловості. Залежно від температурних, гідродинамічних та інших умов ведення процесу застосовують різноманітні методи теплової обробки рідин. Для кожного окремого процесу доводиться вибирати найбільш доцільний технологічно і економічно метод нагрівання чи охолодження та відповідні теплоносії.

Теплообміном – називають процес передачі тепла від одного тіла до іншого. Необхідною умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Існує три способи передачі тепла: це теплопровідність, конвекція, випромінювання.  Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла.   Конвекцією називають процес поширення теплоти в наслідок руху рідини або газу.   Випроміненням називають процес передачі теплоти від одного тіла до іншого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами. Найпоширенішими апаратами для цих процесів є теплообмінники.

Тепловикористовуючі апарати, використовують у харчових виробництвах, і називають теплообмінниками. Теплообмінники характеризуються  різноманітними конструкціями, які пояснюють різні призначення апаратів та умови проведення процесів

Теоретичні основи процесу. Конструкції  апарату

Теплообмінники – це пристрої, в яких здійснюється теплообмін між середовищами, які гріють, і середовищами, які нагріваються. Для того щоб розібратися в різноманітті теплообмінників, їх класифікують за певними ознаками.

У теплообмінних  апаратах здійснюються майже всі  види теплових процесів, тому залежно від виконуваних функцій їх поділяють на такі основні групи: нагрівачі, випарники і кип’ятильники, холодильники і конденсатори, випарні апарати, пастеризатори, регенератори, деаератори.

Залежно від  виду робочих середовищ розрізняють  теплообмінники:

• рідинно – рідинні – при теплообміні між двома рідкими середовищами;
• паро рідинні – при теплообміні між парою і рідиною;
• газорідинні – при теплообміні між газом і рідиною.

За способом передачі теплоти розрізняють поверхневі і змішувальні теплообмінники.

У поверхневих  теплообмінниках відбувається передача теплоти через поверхню нагрівання. У змішувальних теплообмінниках  здійснюється  обмін при безпосередньому  змішуванні теплоносіїв.

За тепловим режимом розрізняють теплообмінники періодичної дії, в яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес, і безперервної дії з процесом, що встановився в часі.

 

 

 

 

За конфігурацією  поверхні теплообміну розрізняються  теплообмінники:  трубчасті, пластинчасті, спіральні, оболонкові і з оребреною  поверхнею. Трубчасті теплообмінники, в свою чергу поділяють на кожухотрубні, змієвикові, типу «труба в трубі», елементні секційні, зрошувальні і комбіновані.

Окрім наведених основних класифікаційних ознак теплообмінних  апаратів, їх можна класифікувати  за додатковими ознаками. Так за напрямком руху робочих середовищ розрізняють теплообмінники прямоточні, протитечійні, з перехресною течією і зі змішаною течією; за числом ходів теплоносія розрізняють теплообмінники одноходові, багатоходові; за жорсткістю конструкції – теплообмінники жорсткого, напівжорсткого і не жорсткого типу.

Кожухотрубні  теплообмінники

Найбільш широко розповсюджені в харчовій промисловості  завдяки своїй компактності, простоті у використанні, виготовлення та надійності в роботі. Вони використовуються для теплообміну між потоками в різноманітних агрегатних станах: пара – рідина, рідина – рідина, газ – газ, газ – рідина. 

Кожухотрубні  теплообмінники розташовуються вертикально  або горизонтально. При різниці  температур між теплоносіями понад 50 градусів за рахунок неоднакових температурних подовжень у зварювальних швах приєднання кожухів до трубних решіток, а також у місці приєднання труб у решітках виникають значні напруження, що можуть перевищити межу міцності матеріалу. В результаті з’являться нещільності, порушується герметичність. Для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу апарата застосовують конструкції теплообмінників з лінзовими компенсаторами, з плаваючою голівкою, з U – подібними трубами, а також із сальниковими пристроями. Поверхня кожухотрубних теплообмінників може становити 1200 квадратних метрів при довжині труб від 1 до 9 м; умовний тиск досягає 6.4 МПа.

 

Розрахунково-конструкторська частина

Тепловий розрахунок апарату

     Вихідні дані. Проектуємий кожухотрубчатий теплообмінник призначений для охолодження продукту від початкової (на вході в апарат) температури t₁=70 ⁰С, до кінцевої (на виході з апарату) t₂=10 ⁰С. Продуктивність апарату G=3,8 кг/с. Продукт потрапляє у трубний простір примусово за допомогою насосу та рухається по трубах зі швидкістю w=0,6 м/с. Охолоджуюча вода підводиться у між трубний простір з температурою t_п=1 ⁰С. Теплообмінні труби Æ30´2,5 мм (зовнішній діаметр d=30 мм, товщина стінки d_ст=2,5 мм), довжина труб у пучку l_Т=2,5 м. Матеріал труб — мідь, товщина шару забруднення на поверхні трубок s=0,001 м, абсолютна шорсткість внутрішньої стінки трубки D=0,01. Коефіцієнт корисної дії (к.к.д) насосу h=0,8.

Середня різниця температур теплоносія та продукту , ⁰С (за формулою (1.16)):

,

Δt_б = t_п – t₁ =70 – 1 = 69^оС;      (2.1)

Δt_м = t_п – t₂ = 10 – 1 = 9 ^оС.                            (2.2)

Так як  (Δt_б /Δt_м) = 7,6 > 2, то, відповідно формулі (1.17)

= 30 ^оС. 

 

 

Середня температура продукту t_ср, ⁰С:

t_ср = t_п – Δt_ср = 30-1 = 29 ^оС.      (2.3)

Різниця температур теплоносія та стінки Dt₁, ⁰С:

Δt₁ = (R₁/R) Δt_ср = 0,6 (29) = 17,4 ^оС.    (2.4)

Різниця температур стінки та продукту Dt₂, ⁰С:

= (1 – 0,6 – 0,06) = 9,8 ^оС.          (2.5)

Примітка — Відношення термічного опору з боку  теплоносія до загального термічного опору R₁/R=0,6 та відношення термічного опору стінок (за рахунок матеріалу стінок та забруднень) до загального термічного опору R_ст/R=0,06 приймається відповідно /5/.

Температура стінки з боку теплоносія Dt_ст1, ⁰С:

t_ст1 = t_п – Δt₁ = 17,4-1 = 16,4 ^оС     (2.6)

Температура стінки з  боку продукту Dt_ст2, ⁰С:

t_ст2 = t_ср + Δt₂ = 29 + 9,8 = 38,8 ^оС.                      (2.7)

Температура плівки конденсату теплоносія t_пл, ⁰С:

t_пл = 0,5 (t_п + t_ст1) = 0,5 (1 + 16,4) = 8,7 ^оС.   (2.8)

Теплофізичні  властивості плівки конденсату (при  температурі плівки t_пл=8,7 ⁰С) (відповідно до /2/): динамічний коефіцієнт в’язкості рідини m_пл=1307*10^-6 Па с;, питома теплоємність c_пл=4183 Дж/(кг×К), коефіцієнт теплопровідності l_пл=0,56  Вт/(м×К) та густина r_пл=998,67 кг/м³. Питома теплота конденсації пару (при температурі t_п=10 ⁰С) r=2493·10³ Дж/кг (відповідно до /2/).

Коефіцієнт тепловіддачі від граючої пари до стінок теплообмінних трубок a₁, Вт/(м²×К):

       (2.9)

Вт/м²К.

     Теплофізичні властивості продукту, який нагрівається (при температурі t_ср=29 ⁰С) (відповідно до /2/): динамічний коефіцієнт в’язкості m_пр=0,657×10^-3 Па×с, об’ємного розширення b_пр=0,46×10^-3 1/⁰С, питома теплоємність c_пр=3913 Дж/(кг×К), коефіцієнт теплопровідності l_пр=0,586 Вт/(м×К) та густина r_пр=1008 кг/м³.

Теплофізичні властивості  пристіночного шару продукту (при  температурі t_ст2=38,8⁰С) (відповідно до /2/): коефіцієнт динамічної  в’язкості m_ст=0,406×10^-3 Па×с, питома теплоємність c_ст=4008 Дж/(кг×К), коефіцієнт теплопровідності l_ст=0,556 Вт/(м×К) та густина r_ст=1048 кг/м³.

Критерій Рейнольдса Re для потоку продукту:

= = 23013,6. (2.10)

Критерія Прандтля для потоку продукту Pr та для пристіночного шару продукту Pr_ст:

= 4,3.          (2.11)

= 2,9      (2.12)

Критерій Нуссельта Nu (для випадку розвиненого турбулентного руху рідин в трубах і каналах (Re>10000) за формулою (1.8)):

Nu=0,021Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25=0,021 (23013,6)^0,8(4,3.)^0,43(1,103) = 133,8.        

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки теплообмінних труб до продукту a₂, Вт/(м²×К):

=3136 Вт/(м²×К)             (2.13)

Термічний опір стінки ( без врахування термічного опору забруднень) R_ст, (м²×К)/Вт:

R_ст=d_ст/l_ст=0,0025/384=6,51×10^-6 (м²×К)/Вт,   (2.14)

де	dст – товщина стінки труби, м; lст – коефіцієнт теплопровідності матеріалу теплообмінних труб (відповідно до /2/), Вт/(м×К).

 

Загальний коефіцієнт теплопередачі  поміж середовищами К, Вт/(м²×К) (за формулою (1.7)):

Вт/(м²×К).

Теплове навантаження апарату (кількість  тепла, яке передається через  поверхню теплообміну від теплоносія до продукту) Q, Вт (за формулою (1.4)):

Q=Gc_пр(t₂-t₁)=3,8×3913× (70-10)=892 164 Вт.

Потрібна поверхня теплообміну F, м² (за формулою (1.1)):

м².

Витрата теплоносія  G_гр, кг/с:

кг/с.  (2.15)

де	x – коефіцієнт, який враховує теплові витрати у навколишнє середовище.

 

Конструктивний розрахунок апарату

Площа перетину всього потоку продукту (площу перетину пучка труб) f, м²:

м²,      (2.16)

Кількість труб n₁ у трубному пучку:

,    (2.17)

приймається n₁=2 теплообмінних труб у кожному ході по трубному простору.

Уточнене значення швидкості  руху продукту w, м/с:

= =  0,45 м/с. (2.18)

Розрахункова довжина однієї трубки у трубному пучці L, м:

м.      (2.19)

Кількість ходів теплообмінника z:

z=L/l_Т=8,6/2,5=3,44,       (2.20)

приймається z=4 ходів по трубному простору кожухотрубчатого теплообмінника.

Необхідна кількість  теплообмінних труб у трубній  решітці n:

n=zn₁=4×2=8 труб.        (2.21)

Діаметр трубної решітки D_р, мм:

мм,  (2.22)

де	y1 – коефіцієнт заповнення трубної решітки (y1=0,6…0,8 для багатоходових по трубному простору теплообмінних апаратів); a – кут, який утворюється центральними лініями трубних рядів з горизонталлю (a=60…700).

 

Внутрішній діаметр  кожуху теплообмінника D, мм:

D=t(b-1)+4d= D_в = (4 · 30) + 70(5 – 1) = 400 мм,   (2.23)

Живий переріз міжтрубного  простору f_мт, м²:

f_мт=0,785((D-2s) ²-nd ²)=       (2.24)

=0,785(0,4²-19×0,03²)=0,11 м².

За рівнянням об’ємних витрат V, м³/с:

,         (2.25)

визначаються діаметри патрубків  d, м, для робочих середовищ:

.         (2.26)

Діаметр патрубка для  входу пару в апарат d_п, м:

м.

Діаметр патрубка для виходу конденсату пару d_к, м:

м.

Діаметр патрубка для  входу продукту у апарат d_вх, м:

м.

Діаметр патрубка для  виходу продукту із апарат d_вих, м:

м.

Гідравлічний розрахунок апарату

Повний гідравлічний опір теплообмінного апарату DР, Па:

   (2.27)

Па

де	l – коефіцієнт гідравлічного тертя; xм – коефіцієнт місцевого опору.

 

Для ізотермічного турбулентного  руху в гідравлічно шорстких трубах (відповідно до /2/):

      (2.28)

де	D – абсолютна шорсткість поверхні труб (для чистих цільнотянутих мідних труб D=0,0015…0,01 мм відповідно до /2/), мм.

 

Розрахунки на міцність

Сума коефіцієнтів місцевих опорів x_м у апараті:

    (2.29)

де	xi – коефіцієнти місцевих опорів (вхідна і вихідна камери x1=1,5, вхід в труби та вихід з них x2=1, поворот на 1800 між ходами x3=2,5 відповідно до /2/).

 

Потужність приводу насосу N, Вт, потрібна для переміщення продукту по трубному простору теплообмінного апарату:

Вт,     (2.30)

де	V – об’ємна витрата продукту, м3/с; h – коефіцієнт корисної дії насоса.

 

V=G/r_пр=3,8/1008=3,76×10^-3м³/с.     (2.31)

Допустимі напруги при  розрахунку по граничним навантаженням

посудин та апаратів, що працюють при статичних одноразових навантаженнях, визначаються згідно ГОСТ 14249-89.

Розрахунок на міцність гладкої циліндричної обичайки кожуху, навантаженої внутрішнім надлишковим тиском, проводиться згідно ГОСТ 14249-89.

Рисунок 2 –	Розрахункова схема  обичайки кожуху теплообмінника

 

Виконавча товщина  стінки обичайки s, мм:

s³s_р+с=0,1+1,9=3,1 мм,       (2.32)

де	sр – розрахункова товщина стінки обичайки, мм; с – сума збільшень до розрахункової товщини стінки, мм.

 

мм,    (2.33)

где

р – розрахунковий внутрішній надлишковий тиск, МПа; D – внутрішній діаметр посудини, мм; [s] – допустимі напруги для матеріалу обичайки кожуху при розрахунковій температурі стінки, МПа; jр=1,0 – коефіцієнт міцності подовжнього стикового зварного шва (обичайка кожуха не має останнього завдяки вибору для її виготовлення труби).

 

с=с₁+с₂+с₃=1,5+0+0=1,5 мм,       (2.34)

Розрахунки  на міцність

 

с₁=Пt=0,1×15=1,5 мм,        (2.35)

де	П – корозійна проникність матеріалу, мм/год; t – термін служби апарата, років.

 

2.4.2.2 Відповідно до наведених у ГСТУ 3-17-191-2000 значень мінімальних товщин стінок обичайок та днищ приймається s=5,0 мм.

Допустимий внутрішній надлишковий тиск [р], МПа:

МПа.  (2.36)

2.4.4 Умова застосування розрахункових формул (для обичайок та труб при D³200 мм):

,      (2.37)

умова виконується.

Розрахунки і вибір допоміжного  обладнання

У відповідності до технологічної  схеми дільниці пастеризації продукту та розрахунків підрозд.2.3 для перекачування  продукту обирається чотири відцентрових насоси марки Х8/18 з параметрами: подача Q=2,4×10^-3 м³/с, напор Н=11,3 м, частота обертання валу n=48,3 с^-1, коефіцієнт корисної дії h_н=0,40, приводний електродвигун типу АО2-31-2 потужністю N_н=3 кВт та коефіцієнтом корисної дії h_дв=0,82.

Рисунок	Схема встановлення насоса

 

Обраний насос дозволяє досягти геометричної висоти підйому  рідини H_Г£10 м з урахуванням втрат напору на подолання гідравлічного опору теплообмінного апарату DР=11850 Па.

Розрахунок об’єму накопичувального резервуару та баку урівнюючого для пастеризованого продукту.

Номінальний об’єм ємності накопичувального резервуару та баку урівнюючого для вихідного розчину пастеризованого продукту:

м³,     (3.1)

де	t – тривалість робочої зміни, с; j – коефіцієнт заповнення ємності.

 

Обирається чотири горизонтальних ємнісних апарати ГЭЭ1-1-80-0,6 (V_ном=80 м³, р_у=0,6 МПа, D=3000 мм, L=11500 мм).

Новизна прийнятих конструктивних та технологічних рішень

Мідно-алюмінієвий теплообмінник «ВЕЗА» НТО-243, захищений від розморожування Найбільш причиною, що часто зустрічається, виходу з буд мідно-алюмінієвих теплообмінників, використовуваних в системах вентиляції і кондиціонування повітря, є руйнування їх в результаті замерзання теплоносія усередині трубок. Системи автоматичного регулювання, що використовуються в процесі експлуатації теплообмінників, не завжди дозволяють захистити їх від руйнувань в результаті замерзання, зазвичай це пов'язано з з прагненням замовника мінімізувати витрати на пристрій систем вентиляції. Пропонована конструкція мідно-алюмінієвого теплообмінника дозволяє вирішити проблеми руйнування трубок мідно-алюмінієвих теплообмінників при замерзанні теплоносія. При цьому надлишок теплоносія що розширюється при замерзанні витісняється по обвідному каналу в подаючу трубу, запобігаючи небезпечній напрузі усередині трубок самого теплообмінника. При замерзанні теплоносія не відбувається механічного руйнування  конструкції і при подальшому підвищенні температури припливного повітря до температур, що дозволяють відтавання теплоносія і появи можливості його протоки, теплообмінник стає працездатним. Конструкція дозволяє багатократне замерзання теплоносія усередині теплообмінника.

 

 

Така конструкція теплообмінника дозволяє експлуатувати його в умовах нестабільної подачі теплоносія або електроенергії і використовувати прості системи автоматичного управління. Пропонована серія теплообмінника НТО-243 розроблена спеціально для північного виконання припливних камер і кондиціонерів центральних «КЦКП-з», але так само може бути виготовлена як спецзамовлення в будь-яких габаритах. Підбір теплообмінників здійснюється з використанням комп'ютерних програм ООО «Веза» з врахуванням рекомендацій співробітників технічного відділу.

 

висновок

Курсова робота по дисципліні "Процеси та апарати харчових виробництв" являє собою науково-технічний документ, що містить результати рішення конкретних задач з розрахунку, конструювання та виконання технічної документації на проектовану машину (апарат) харчових виробництв.

Спроектований на підставі проведених технологічних та проектних розрахунків двоходовий теплообмінний кожухотрубчатий апарат дозволить проводити технологічний процес охолодження продукту з заданими технологічними параметрами.

Проведеними проектними та перевірочними розрахунками на міцність визначено розміри конструктивних елементів, підтверджено механічну надійність і конструктивну досконалість спроектованого апарату, що є неодмінною умовою тривалої та безперебійної роботи устаткування у виробничих умовах.

список використаних джерел

1. Стабников В.Н., Лисянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. М.:Агропромиздат, 1985.

2. К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков. Примеры и задачи по  курсу процессов и аппаратов  химической технологии: Учебное  пособие для вузов / Под ред.  П.Г.Романкова. — 9-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1981.

3. Машины и аппараты  химических производств: примеры  и задачи. Учебное пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Машины и аппараты химических производств» / И.В.Доманский, В.П.Исаков, Г.М.островский и др.; Под общ. ред. В.Н.Соколова. — Л.: Машиностроение, 1982.

4. Основные процессы  и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С.Борисов, В.П.Брыков, Ю.И.Дытнерский и др. Под ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е изд., перераб. И дополн. — М.:Химия, 1991.

5. Проектирование процессов  и аппаратов пищевых производств  / Под ред. В.Н. Стабникова. — К.: Вища школа, 1982.

6. ГОСТ 14249-89. Сосуды и  аппараты. Нормы и методы расчета  на прочность. — Взамен ГОСТ 14249-89; Введ. 18.05.89. — М.: Гос. ком. СССР по стандартам, 1989. — 80 с., ил.

7. ГСТУ 3-17-191-2000. Посудини  та апарати стальні зварні. Загальні технічні умови. — На заміну ОСТ 26-291-94; Введ. 16.02.2000. — К.: Державний комітет промислової політики України, 2000. — 301 с., іл.

, 1994. — 200 с., ил.