Розрахунок і проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника для пастеризації продукту

Міністерство аграрної політики України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра технологічного обладнання харчових виробництв

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни "Процеси і апарати харчових виробництв"

Тема роботи: Розрахунок і проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника для пастеризації продукту.

Керівник проекту Студент Група

Юхименко Н. П. Калюжний Д.В. ТМЯ-0503-1

2007

 

Міністерство аграрної політики України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра технологічного обладнання харчових виробництв

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

До КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

з дисципліни "Процеси і апарати харчових виробництв"

Тема роботи: Розрахунок і проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника для пастеризації продукту.

Керівник проекту Студент Група

Юхименко Н.П. Калюжний Д.В. ТМЯ-0503-1

2007

Міністерство аграрної політики України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра технологічного обладнання харчових виробництв

Завдання на курсовий проект

з дисципліни "Процеси і апарати харчових виробництв

Студенту Калюжному Д. В. групи ТМЯ-0503-1 II курсу

1. Тема курсового проекту "Розрахунок і проектування вертикального кожухотрубного теплообмінника для пастеризації продукту"

2. Основні початкові дані: Розрахувати і спроектувати вертикальний кожухотрубний теплообмінник (G = 2,8 )   для пастеризації продукту від початкової температури t 1 = 12 0 C до кінцевої температури t 2 = 70 0 C . Продукт потрапляє в трубне простір примусово за допомогою насоса і рухається по трубах зі швидкістю w = 2,0 , Гарячий теплоносій (гріє водяний пар) потрапляє в міжтрубний простір з t п = 140 0 С

3. Перелік обов'язкового графічного матеріалу: технологічна схема ділянки пастеризації продукту, складальне креслення теплообмінника кожухотрубного, всього 1,25 аркуша формату А1.

4. Рекомндований спеціальна література: процеси і апарати харчових виробництв; Розрахунок і проектування теплообмінників; методичні вказівки до виконання курсового проекту / Суми: Сумський національний аграрний університет, 2002. - 26 с.

5. Термін виконання ____________________________________

6. Термін захисту _______________________________________

7. Дата видачі завдання «___» _______________ 2007р.

Керівник проекту

Юхименко Н. П.

ЗМІСТ

ВСТУП 1 Теоретичні основи теплообмінного процесу. Вибір конструкції апарату 1.1 Одноходовий кожухотрубний теплообмінник 1.2 Загальні відомості про розвальцьовування труб теплообмінника 2 Розрахунково-конструкторська частина 1. Тепловий розрахунок апарату 2. Конструктивний розрахунок апарату 3. Гідравлічний розрахунок апарату 4. Розрахунки на міцність 3 Розрахунки та вибір допоміжного обладнання 3.1 Вибір насоса 3.2 Вибір резервуарів 4 Новизна прийнятих конструктивних та технологічних рішень ВИСНОВОК СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ Додаток А. Кожухотрубний теплообмінник

 

ВСТУП

Раціональне та ефективне використання теплової енергії є сьогодні визначальним чинником у виборі стратегії технічного та технологічного переозброєння підприємств.

Якість, ціна, надійність, економічність і доступність сервісного обслуговування - ось ті критерії, на які орієнтується більшість організацій, що приймають рішення про закупівлю необхідного обладнання. У зв'язку з цим не викликає сумнівів актуальність високоякісних теплообмінних кожухотрубних апаратів знаходять саме широке застосування в харчовій, нафтохімічній, хімічній промисловості, у ЖКГ, енергетиці.

Ясність, наочність і очевидність техніко-економічних переваг новітніх технічних і технологічних рішень в порівнянні з морально застарілим обладнанням є основним і необхідною умовою, яка має враховуватися при виборі відповідного обладнання. Але найважливішим критерієм вибору апарату є його економічна обгрунтованість. Економія теплоресурсів дозволяє знизити ціну на ізготвляемую продукцію, що не мало важливо в умовах жорсткої конкуренції.

1 Теоретичні основи теплообмінного процесу. Вибір конструкції апарату

Теплові процеси - технологічні процеси, які протікають зі швидкістю, зумовленої законами теплопередачі.

Теплообмінні апарати - апарати, призначені для проведення теплових процесів.

Теплоносії - тіла (середовища), які беруть участь у теплообміні.

Існує три способи перенесення тепла: теплопровідність, конвективний теплообмін і теплове випромінювання.

Теплопровідність - явище переносу теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла.

Конвективний теплообмін - процес поширення в слідстві руху рідини чи газу.

Природна (вільна) конвекція обумовлена ​​різницею щільності в різних точках об'єму теплоносія, який виникає внаслідок різниці температур у цих точках.

Вимушена конвекція обумовлена ​​примусовим рухом всього об'єму теплоносія.

Теплове випромінювання - процес передачі тепла від одного тіла до іншого, поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами.

Тепловіддача - процес перенесення тепла від стінки до теплоносія або у зворотному напрямку.

Теплопередача - процес передачі тепла від більш нагрітого менше нагрітого теплоносія через їх розділяє поверхню або тверду стінку.

При проектуванні теплообмінних апаратів тепловий розрахунок зводиться до визначення необхідної поверхні теплообміну F, (м 2), за основним рівнянню теплопередачі:

, (1.1)

де	Q - теплова навантаження теплообмінника, (Вт); Dt сер - середня різниця температур, (0 С); К - коефіцієнт теплопередачі, . Коефіцієнт теплопередачі показує, яка кількість теплоти передається від гарячого теплоносія до холодного за 1 с через 1 м 2 стінки при різниці між теплоносіями, рівної 1 град.

Теплове навантаження теплообмінника визначають з рівняння теплового балансу. Якщо знехтувати втратами тепла до навколишнього середовища, які зазвичай не перевищують 5%, то рівняння теплового балансу буде мати вигляд:

Q = Q 1 = Q 2, (1.2)

де	Q 1 і Q 2 - кількість тепла, яке віддав гарячий теплоносій і яке передане холодного теплоносія відповідно, (Вт).

Під час теплообміну між теплоносіями зменшується ентальпія (тепломісткість) гарячого теплоносія і збільшується ентальпія холодного теплоносія. Рівняння теплового балансу (1.2) у розгорнутому вигляді:

Q = G 1 (i 1п-i 1к) = G 2 (i 2к-i 2п), (1.3)

де	G 1 і G 2 - витрата гарячого і холодного теплоносія відповідно, ; i 1п, i 1к - початкова і кінцева ентальпії гарячого теплоносія, ; i 2п, i 2к - початкова і кінцева ентальпії холодного теплоносія, .

Якщо під час теплообміну не змінюється агрегатний стан теплоносіїв, ентальпії останніх прирівнюють твору теплоємності на температуру і тоді рівняння теплового балансу (1.3) буде мати вигляд:

Q = G 1 c 1 (t 1п-t 1к) = G 2 c 2 (t 2к-t 2п), (1.4)

де	c 1 і з 2 - середні питомі теплоємності гарячого та холодного теплоносіїв відповідно, ; t 1п, t 1к - температури гарячого теплоносія на вході в апарат і на виході з нього, (0 С); t 2к, t 2п - температури холодного теплоносія на виході з апарату і на вході в нього, (0 С).

З рівняння (1.4) можна знайти витрати гарячого або холодного теплоносіїв при відомих значеннях інших параметрів. У разі використання в якості гарячого теплоносія насиченої водяної пари величин i 1п, , І i 1к, , В рівнянні (1.3) будуть відповідно ентальпії пари, яка надходить, і конденсату, який виходить з теплообмінника. Рівняння теплового балансу, припускаючи, що віддача тепла при охолодженні пари до температури конденсації і при охолодженні конденсату незначна:

Q = G гр (i 1п-i 1к) = G 2 c 2 (t 2к-t 2п), (1.5)

де	де G гр - витрата пари, що гріє, .

Припускаючи, що віддача тепла при охолодженні пари до температури конденсації і при охолодженні конденсату незначна, рівняння теплового балансу (1.5) можна записати у вигляді:

Q = G гр r = G 2 c 2 (t 2к-t 2п), (1.6)

де	r - питома теплота конденсації, .

За рівнянням (1.5) і (1.6) визначають витрати водяної пари. Якщо гріючий пар є вологим, то теплоту конденсації множимо на ступінь сухості водної пари. Якщо маємо теплові втрати в навколишнє середовище, то величину теплового навантаження необхідно помножити на коефіцієнт, який враховує теплові втрати. Ентальпію і питому теплоту конденсації пари, що гріє визначають за довідниками [6,10]. Коефіцієнт теплопередачі К, , Для плоскої теплообмінної поверхні:

, (1.7)

де

a 1, a 2 - коефіцієнти тепловіддачі відповідно для гарячого і холодного теплоносія, . Коефіцієнт тепловіддачі показує, яка кількість теплоти передається від теплоносія до 1 м 2 поверхні стінки (або від стінки поверхнею 1 м 2 до теплоносія) в одиницю часу при різниці температур між теплоносієм і стінкою 1 град. d ст - товщина стінки теплообмінної, (м); l ст - коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Коефіцієнт теплопровідності показує, яка кількість теплоти проходить внаслідок теплопровідності в одиницю часу через одиницю поверхні теплообміну при падінні температури на один градус на одиницю довжини нормалі до ізотермічної поверхні.

Коефіцієнти тепловіддачі визначають з критерію Нуссельта, а останній знаходять за різними критеріальними рівнянь в залежності від конкретних умов теплообміну. У разі розвиненого турбулентного руху рідин у трубах і каналах (Re> 10000):

Nu = (1.8)

Для критеріїв Nu, Re і Pr за визначальну температуру приймається середня температура рідини, а для критерію Pr ст - температура стінки. За лінійними розмірами в критеріях Nu і Re береться внутрішній діаметр труби або еквівалентний діаметр каналу. При ламінарному русі (Re <2300):

Nu = (1.9)

Для повітряного теплоносія формули (1.8) і (1.9) відповідно:

Nu = 0,018 Re 0,8; (1.10)

Nu = 0,13 Re 0,33 Gr 0,1. (1.11)

Для випадку руху теплоносія в міжтрубному просторі кожухотрубних теплообмінників:

Nu = С (d е Re) 0,6 Pr 0,33, (1.12)

де	С - коефіцієнт, який враховує присутність сегментних перегородок в міжтрубному просторі; d е - еквівалентний діаметр міжтрубного простору, (м).

, (1.13)

де	f - площина поперечного перерізу потоку, (м 2); П - периметр перетину потоку, (м); D - внутрішній діаметр кожуха, (м); d - зовнішній діаметр труби, (м); z - кількість ходів по трубному простору; n - кількість труб в одному ході.

При поперечному обтіканні пучка труб (кут атаки 90 о), шаховому і коридорному розташуванні труб відповідно:

Nu = (1.14)

Nu = (1.15)

Середню різницю температур , (0 С), у разі прямотеченія та протитечією визначають як среднелогаріфміческую різниця:

, (1.16)

де	Dt б, Dt м - велика і менша різниці температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника, (0 С).

Якщо <2, то среднелогаріфміческую різниця можна замінити без помітної похибки середньоарифметичної різницею:

. (1.17)

Для апаратів з перехресним і змішаним перебігом теплоносіїв середня різниця температур перебуває шляхом множення значення среднелогаріфміческого температурного напору досягається при протівотечейной схемою руху теплоносіїв на поправочний коефіцієнт, який визначається за довідниками [4-6].

1.1 Кожухотрубний теплообмінник

Для проведення процесу пастеризації продукту вибирається кожухотрубні конструкція теплообмінника.

Малюнок 1 - Кожухотрубний теплообмінник

Кожухотрубні теплообмінники найбільш широко поширені в

харчових виробництвах.

Кожухотрубний вертикальний одноходової теплообмінник

з нерухомими трубними гратами (див. рис. 1) складається з циліндричного корпусу-1, який з двох сторін обмежений привареними до нього трубними решітками-2 із закріпленими в них гріють трубами-3 (див. рис. 2), кінці яких закріплені в спеціальних трубних гратах шляхом розвальцьовування, зварювання, пайки, а іноді на сальниках. Пучок труб ділить весь об'єм корпусу теплообмінника на трубне простір, укладену всередині гріючих труб, і міжтрубний. До корпусу прикріплені за допомогою болтового з'єднання два днища-5. Для введення і виведення теплоносіїв корпус і днища мають патрубки-4. Один потік теплоносія, наприклад рідина, направляється в трубне простір, проходить по трубках і виходить з теплообмінника через патрубок у верхньому днищі. Інший потік теплоносія, наприклад пар, вводиться в міжтрубний простір теплообмінника, омиває зовні гріють труби і виводиться з корпусу теплообмінника через патрубок.

Кожухотрубні теплообмінники можуть бути з нерухомою трубної гратами або з температурним компенсатором на кожусі, вертикальні або горизонтальні. Відповідно до ГОСТ 15121-79, теплообмінники можуть бути двох-чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору.

Гріючі труби в трубних гратах розміщують кількома способами: по сторонах і вершин правильних шестикутників (у шаховому порядку), по сторонах і вершин квадратів (коридорне) і по концентричних колах. Такі способи розміщення забезпечують створення компактної конструкції теплообмінника.

Через маленькій швидкості руху теплоносіїв одноходові теплообмінники характеризуються низькими коефіцієнтами тепловіддачі. З метою інтенсифікації теплообміну в кожухотрубних теплообмінниках пучок труб секціонувального, поділяють на кілька секцій (ходів), за якими теплоносій проходить послідовно. Розбивка труб на ряд ходів досягається за допомогою перегородок у верхньому і нижньому днищах. Так само секціонованими можна і міжтрубний простір за рахунок установки напрямних перегородок. Завдяки всім цим способам досягається підвищення швидкості теплоносія, що приводить до збільшення коефіцієнта тепловіддачі в трубному просторі.