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