Проект трубчатого теплообменика для подогрева продукции перед упариванием

В связи с незначительными сечениями внутренней трубы и кольцевого зазора в теплообменниках достигаются достаточно высокие скорости движения теплоносителей (до трех метров в секунду), что способствует увеличению коэффициентов теплопередачи, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Основным достоинством двухтрубных теплообменников является осуществление процессов теплообмена с теплоносителями при высоких давлениях. В свою очередь, двухтрубные теплообменники более металлоемки, чем кожухотрубчатые.

 

В змеевиковых теплообменниках основным теплообменным элементом является согнутая в виде змеевика труба. К ним относятся погружные теплообменники с одним и несколькими спиральными змеевиками, по которым движется один из теплоносителей. Змеевики погружаются в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата и представляющую второй теплоноситель. Скорость движения второго теплоносителя невелика в связи с большим сечением корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны наружной стенки змеевика.

Простота устройства, низкая стоимость, доступность наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможность поддержания высоких давлений в змеевиках обеспечивают достаточно широкое применение погружных теплообменников в промышленности. Одним из основных недостатков змеевиковых теплообменников погружного типа следует отметить сравнительно невысокую поверхность теплообмена (до 10–15 м2).

Довольно широкое применение в химической технологии находят теплообменники с наружными змеевиками, применение которых позволяет проводить процесс при высоких давлениях. К стенкам аппаратов (обычно реакторов) снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали.

К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность разделения системы труб-змеевиков на отдельные секции, питаемые независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций можно регулировать обогрев или охлаждение аппарата. Немаловажным достоинством теплообменников подобного типа является то, что материал привариваемых змеевиков может быть более дешевым, чем материал корпуса аппарата.

 

1.5 Описание работы теплообменного аппарата

 

При течении жидкостей в теплообменнике температура их изменяется: горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается. Характер изменения температуры жидкости, движущейся вдоль поверхности нагрева, зависит от схемы ее движения. В теплообменных аппаратах применяются в основном три схемы движения жидкостей: прямоточная, противоточная, перекрестная.

Рисунок 2. Схема движения жидкостей в теплообменнике типа "труба в трубе" при прямотоке (А) и противотоке (Б)

.

 

1. Исходные данные для расчёта

1. Нагреваемый продукт – томатная паста
2. Производительность теплообменника:

G=1,5 кг/с

3. Начальная температура томатной пасты:

=25

4. Конечная температура томатной пасты:

=

5. Греющий агент-водяной пар давлением:

Р=3 кгс/∙9,81∙ Па=294.3 кПа

Р=600мм.рт.ст.∙133,3 Па=79,98 кПа

6. Концентрация сухих веществ:

Вн=3,2%

7. Степень сухости пара:

Х=0,8

 

2. Теплотехнический расчет.

В основе теплотехнического расчета теплообменника лежит основное уравнение теплопередачи:

 

Где: * - количество тепла, переданного от одного теплоносителя к другому в единицу времени, Вт;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К

F - поверхность нагрева аппарата, м2

∆tср - средний температурный напор, °С

2.2. Средняя температура продукта  вычисляется по формуле:

tcp = trp - Δtcp = 126,5 – 56,24 = 70,26 °С,

где tгp-температура греющего пара, °С

Δtср- средняя разность температур, °С

2.3.Рассчитывают  среднюю разность температур  Δtср по формуле:

   

где, ΔtБΔtM - большая и меньшая разности температур,°С

2.4. Большая  и меньшая разности температур  находятся по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                126,5°С 126,5°С

                                    Δtм

Δtб

95,3°С

 

25°С

 

 

2.5. Находим конечную температуру  продукта:

 

 

 

 

 

где tBT-вторичного температура пара,

- сумма термических потерь.

 

=Δфх+Δгс,

 

где Δфх - физико-химическая депрессия (принимаем Δфх= 2)

Δгс - гидростатическая депрессия (принимаем Δгс = 1,5)

 

=3,5

 

=91,8+3,5=95,3

 

2.6. Тепловая нагрузка любого  теплообменника определяется по  уравнению теплового баланса. При  нагревании продукта паром уравнение  теплового баланса имеет вид:

 

Q = Gп∙r∙x = GT-cT -∙φп

 

где Gn,GT - количество пара и томатной пасты, проходящих через аппарат за единицу времени (массовый расход), кг/с;

СТ- средняя удельная теплоемкость томатной пасты, Дж/кг-К;

 - конечная и начальная температура томатной пасты, °С;

(φп - поправочный коэффициент, учитывающий потери тепла в

окружающую среду. При нагревании φп= 1,03 ÷1,05 (т.е. 3-5% от полезно

затраченного тепла);

х - степень сухости пара;

r- удельная теплота парообразования, Дж/кг.

2.7. Удельная теплоемкость продукта:

 

Ст = 4228,7 - 20,98 В-10,88 ∙ tCP = 4228,7 - 20,98 -3,2-10,88 • 66.48 =  =3438Дж/кг∙К,

 

где В - концентрация сухих веществ,

 tcp - средняя температура продукта

2.8. Находим расход пара из  уравнения теплового баланса:

 

2.9. Находим тепловую нагрузку  теплообменного аппарата:

Дж/с

2.10. Объемный расход пара и  томатной пасты находим по  формуле:

 

 

 

 

где ⍴Т,⍴П - плотности томатной пасты и пара, кг/м3.

Плотность томатной пасты:

рт = 1016,8 + 4,4 ∙ В - 0,53 • tcp = 1016,08 + 4,4 - 3,2 - 0,53 • 66,42 = 995,68 кг/м3

 

 

2.11. Диаметр внутренней трубы  подбираем на основании уравнения:

 

 

где - средняя скорость течения томатной пасты в трубах

(принимаем 2м/с)

По ГОСТ 9930-78 принимаем ближайшее значение диаметра, равное 38*3мм.

 

dBH = dH - 2∙δ = 0,038 - 2 ∙ 0,003 = 0,032 м

 

где     толщина стенки, м

 

 2.12. Внутренний диаметр наружной трубы определяю по формуле:

 

 

 

 

где п - средняя скорость течения пара в трубах (принимаем 30м/с)

Оптимальный диаметр наружной трубы по ГОСТ 9930-78 равен 89*3мм.

 

dbh = dh - 2 • δ = 0,089 - 2 • 0,003 = 0,08 м

2.13. Уточняем скорость течения  пара в межтрубном пространстве:

 

 

 

 

Скорость течения продукта должна быть не более 3м/с, а режим течения среды - турбулентным (Re>1∙104)

Уточняем скорость течения томатной пасты:

 

 

 

Уточненное значение скорости соответствует пределу скоростей 1,5-3 м/с.

 

2.14. Критерий Рейнольдса рассчитываем по формуле:

 

 

 

где,- коэффициент динамической вязкости продукта, Па∙с

 

Динамическая вязкость томатной пасты:

 

 

 

Значение критерия Рейнольдса Re> 1∙104, следовательно, режим течения среды турбулентный.

2.15. Критерий Нуссельта при турбулентном  режиме рассчитывается по формуле:

 

 

 

где Рr- критерий Прандтля, характеризующий физические свойства теплоносителя,

 

при нагревании можно принять равным 1,05

 

Ee=1 , т.к.

 

2.16. Коэффициент теплопроводности  томатной пасты:

 

 

 

2.17. Коэффициент теплоотдачи от  стенки к холодному теплоносителю (продукту) рассчитывается:

 

 

где  - коэффициент теплопроводности среды, Вт/м∙К;

-внутренний диаметр внутренней трубы, м.

2.18. Коэффициент  теплоотдачи от горячего теплоносителя (пара) к стенке находим по формуле:

 

где А - коэффициент, зависящий от расположения поверхности нагрева, для горизонтальных труб 0,728;

r - удельная теплота парообразования, Дж/кг;

 ⍴ - плотность пленки конденсата, кг/м3;

- коэффициент теплопроводности пленки конденсата, Вт/м-К;

v- коэффициент кинематической вязкости конденсата, м2/с;

At - перепад температур между паром и стенкой (находится в пределах

2÷8°C)                                    Δt = tn-tCT

Н- высота стенки; для горизонтальных труб H=d, м.

 

2.19. При определении коэффициентов  теплоотдачи необходимо рассчитать  температуру стенки со стороны  пара, °С

Δt=tп-tCT1

где tп,tCT1 - температура пара и стенки со стороны пара, °С.

2.20. Определяем коэффициент теплоотдачи  с помощью метода последовательных  приближений, который основывается  на том, что при установившемся  тепловом режиме удельный тепловой  поток (q=Q/F=const),T.e. количество тепла, переданного от горячего теплоносителя к холодному через единицу поверхности теплопередачи в единицу времени, постоянен:

q = К∙ΔtCP= 1∙Δt1 = ∙ΔtCP=2∙Δt2,

где ΔtCP - средняя разность температур, °С;

Δt=tП –tСТ1 - разность температур пара и стенки со стороны пара, °С;

ΔtCT =tСТ1 -tCT2 - разность температур по обе стороны стенки, °С;

Δ2 =tCT2 -tCP2 - разность температур стенки со стороны продукта и

средней температуры продукта, °С;

1 - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке,

Вт/м2∙К;

2- коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю

(продукту), Вт/м2∙К:

∑r- суммарное термическое сопротивление стенки.

2.21. Суммарное термическое сопротивление  стенки можно найти по формуле:

 

 

где δСТ- толщина стенки, м;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К;

δЗАГ1,δЗАГ2 - толщина загрязнителя стенки, м;

λЗАГ1,λЗАГ2 - коэффициент теплопроводности слоя загрязнителя стенки.

Вт/ м-К.

2.22. Первое приближение:

Температуру наружной поверхности стенки трубы принимаем:

tCT =124,5°С

Все параметры пленки конденсата зависят от ее температуры, которую можно найти по формуле:

 

°С

°С

Теплофизические характеристики конденсатной пленки при t =124,5°С:

Плотность пленки конденсата, кг/ м3

⍴= 939,5кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К

λ =0,686 Вт/м-К

Кинематический коэффициент вязкости, м2/с

 

 

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к стенке трубы рассчитывается по формуле:

q1 =α1 ∙Δt = 17,846 -103 ∙ 2 = 356925 Вт/м3

 

Температура внутренней поверхности стенки трубы:

 

q1=(tcт1-tст2)

tст=tст1-q1∙∑r=1124,5-35692∙0,00055=104,9°C

 

Удельный тепловой поток к томатной пасте от стенки трубы рассчитывается по формуле:

q2 = (tCТ2∙tCP)=815,8∙(104,9-66,42)=31391,98 Вт/м2

 

q1>q2

 

2.23.Второе приближение:

Температуру наружной поверхности стенки трубы принимаем, равной:

tCT =122,5°С

Все параметры пленки конденсата зависят от ее температуры, которую можно найти по формуле:

°С

°С

 

Теплофизические характеристики конденсатной пленки при t = 125°С: Плотность пленки конденсата, кг/м3

⍴= 939,5кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К

λ =0,686 Вт/м∙К

Кинематический коэффициент вязкости, м2/с

 

 

 

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к стенке трубы можно найти

по формуле:

q1 =α1 -Δt = 149933,2 ∙ 4 =59733 Вт/м3

 

Температуру внутренней поверхности стенки трубы рассчитываем по формуле:

 

tСТ2=tCТ1-q1∙∑r=122,5-59733∙89,65°С

 

Удельный тепловой поток маслу от стенки трубы определяю по формуле:

 

q2 = 2∙(tCТ2∙tCP)=815,8∙(89,65-66,42)=18951,03 Вт/м2

 

q1>q2

 

Задавшись двумя значениями tст1 и определив для этих значений удельный тепловой поток, строят график зависимости tст1 =f(q), по которому определяют значение tcт1, при котором      q-const.

 

 

 

 

 

 q∙103 , Вт/м2

70

 

60 q1

 

 

50

 

40 q1

 

30 q2

 

 

20

q2

 

10

 

 t, ºC

                       122           122,5       123          124 124,5      125

 

2 24. Поверочный расчет:

tCT =124,6° С

Δt = 126,5 -124,6 = 1,9°С

= 125,55°С

Теплофизические характеристики конденсатной пленки при t = 124,6°C: Плотность пленки конденсата, кг/м3

р = 937,6кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К

λ = 0,686 Вт/м∙К

Кинематический коэффициент вязкости, м2/с

v = 0,233∙10-6 м2/c

Рассчитав значение температуры стенки tcп, уточняют значение коэффициента теплоотдачи α1:

 

 

 

Удельный тепловой поток от греющего пара к стенке трубы рассчитываю по формуле:

q1 =α1 -Δt = ∙ 1,9 =34479,68 Вт/м3

Температура внутренней поверхности стенки трубы рассчитаю по формуле:

tCТ1-q1∙∑r=124,6-34479,68∙0,00055=105,6 °С

tСТ2=105,6°С

Рассчитываю удельный тепловой поток, переданный от стенки трубы к томатной пасте:

q2 = 2∙(tCТ2∙tCP)=815,8∙(105,6-66,42)=31963,044 Вт/м2