Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для пастеризації продукту

 

с=с1+с2+с3=1,5+0+0=1,5 мм,       (1.33)

с1=Пt=0,1×15=1,5 мм,        (1.34)

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

 

             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.           (1.35)

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

                 (1.36)

умова виконується.

3.5. 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=5,5×10-3 м3/с, напор Н=10,5 м, частота обертання валу n=48,3 с-1, коефіцієнт корисної дії hн=0,60, приводний електродвигун типу АО2-31-2 потужністю Nн=3 кВт та коефіцієнтом корисної дії hдв=0,82.

Рисунок 3	Схема встановлення насоса

 

Обраний насос дозволяє досягти геометричної висоти підйому рідини HГ£11 м з урахуванням втрат напору на подолання гідравлічного опору теплообмінного апарату DР=84453 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,     

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

 

3.6. 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:

tі = 40ºС – температура на поверхні ізоляції;

tп = 20ºС – температура повітря;

tа = 60ºС – температура в апараті.

λ = 0,047 –  коефіцієнт теплопровідності для теплової ізоляції.

Знаходимо сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря:

α = 9,76 + 0,07 ( tі – tп )

α = 9,76 + 0,07 ( 40 – 20 ) = 11,16 Вт/м2·К

Товщина теплової ізоляції:

δ = (λ · ( tа – tі )) / (α · ( tі – tп ))

δ = (0,047 · (60 – 40)) / (11,16 · (40 – 20 )) = 0,0042 м  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Техніко- економічні показники роботи кожухотрубного теплообмінника.

  Визначаємо амортизаційні витрати

Ка = F · СF · а,

де F – площа теплообміну;

СF – вартість 1 м2 поверхні теплообміну апарата, яка складає 1200грн/м2;

а – річна частина амортизаційних відрахувань, яка становить 15%.

Ка = 0,813 · 1200 · 0,15 = 146,34 грн/рік

  Визначаємо експлуатаційні витрати

Ке = N · Се · τ,

де N – потужність електродвигуна насоса;

Се – вартість 1 кВт·год електроенергії, яка становить 1,5 грн/ (кВт·год);

τ – кількість годин роботи теплообмінника за рік, яка складає 4160год.

Ке = 0,117 · 1,5 · 4160 = 730,08 грн/рік

  Отже, сумарні затрати складають

К∑ = Ка + Ке

К∑ = 146,34+730,08 = 876,42 грн/рік

Для підвищення коефіцієнта тепловіддачі з боку рідини, що рухається в міжтрубному просторі, в ньому також встановлюються перегородки. Перегородки можуть бути подовжніми і поперечними. Розрізняють наступні поперечні перегородки: сегментні, секторні, кільцеві. Найбільше розповсюдження отримали сегментні перегородки.

  Кожухотрубні теплообмінники розташовуються вертикально або горизонтально.При різниці температур між теплоносіями понад 50 °С виникають температурні напруги, які можуть перевищити межу міцності матеріалу; в результаті, з'являється нещільність, порушується герметичність. Для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу апарату використовують теплообмінники з лінзовими компенсаторами, з плаваючою головкою, з U- образними трубами, а також теплообмінники з сальниковими пристроями.

  Найбільш поширені апарати з лінзовими компенсаторами, які застосовуються, коли температурні деформації не перевищують 10-15 мм, а умовний тиск не перевищує 2,5 МПа.

  Лінзові компенсатори ввариваются між обичайками кожуха. Розрізняють наступні види лінзових компенсаторів: тарельчаті, торові.

  Кожухотрубні теплообмінники з плаваючою головкою застосовують для нагріву або охолоджування рідких і газоподібних середовищ в межах робочих температур від мінус 30 °С до плюс 450 °С і умовного тиску 1,6- 6,4 МПа в трубному або міжтрубному просторі. Рухомі трубні грати дозволяють трубному пучку вільно переміщатися незалежно від корпусу. Крім того,

теплообмінники з U - образними трубами мають одні трубні грати, в які ввальцовані обидва кінці кожної U- образної труби.

  Корпус теплообмінника не пов'язаний жорстко з трубами, і кожний елемент може подовжуватися, не викликаючи термічних напруг в місцях приєднання. Недоліком таких теплообмінників є трудність внутрішнього

  При виборі і створенні теплообмінної апаратури необхідно враховувати такі важливі чинники, як теплове навантаження апарату, температурні умови процесу, физико-хімічні параметри робочих середовищ, умови теплообміну, характер гідравлічних опорів, вид матеріалу і його корозійну стійкість, простота пристрою та компактність, розміщення апарату, взаємний напрямок руху робочих серед, можливість очистки поверхні теплообміну від забруднень, витрати металу на одиницю відданої теплоти та інші техніко-економічні показники.

  Економічне використовування якісних матеріалів, високий рівень технології виготовлення і повне використовування всіх досягнень теплопередачі дають можливість вибору і створення раціональних теплообмінних апаратів, що задовольняють всім перерахованим вимогам.

  Хімічні продукти в тій чи іншій мірі завжди викликають корозію матеріалу апарату, тому для виготовлення їх застосовуються різні метали (залізо, чавун, алюміній) і їх сплави. Найбільше застосування знаходять сталі. Завдяки здатності змінювати свої властивості залежно від складу, можливості термічної і механічної обробки сталі з низьким змістом вуглецю добре штампуються, але погано обробляються різанням. Добавки інших металів - легуючих елементів - покращують якість сталей і додають їм особливі властивості (наприклад, хром покращує механічні властивості, зносостійкість і корозійну стійкість; нікель підвищує міцність, пластичність; кремній збільшує жаростійкість).

  Сталі звичайної якості (наприклад, Ст3) застосовують для виготовлення апаратів, що працюють під надмірним тиском до 6 МПа при температурах від мінус 30 °С до плюс 425 °С. Для більш жорстких умов застосовують вуглецеві сталі поліпшеної якості - марок 15К і 20К.

  Для підвищення термостійкості і міцності застосовують низколегированные сталі 10Г2С1, 16ГС, ЗОХ, 40Х, що дозволяє використовувати апарати при температурах від мінус 70°С до плюс 550 °С.

  Для підвищення кислотостійкості і жароміцності апаратів їх виготовляють з хромоникелевых сталей марок Х18Н10Т, Х18Н9Т. Для дуже агресивних середовищ застосовуються високолеговані сталі, наприклад 0Х23Н28МЗДЗТ.

  При виробництві теплообмінних апаратів корпусу їх виконуються із сталевих листів (переважно товщиною більше 4 мм), що виготовляються гарячим плющенням.

  Кожухотрубні теплообмінники застосовуються як рідинні і газові підігрівачі, конденсатори і випарники. Вони працюють при умовному тиску до 6,4 МПа і температурах від мінус 30 °С до плюс 450 °С.

  Кожухотрубні теплообмінні апарати загального призначення виготовляють з вуглецевої або неіржавіючої сталі з площею поверхні теплообміну від 1 до 2000 м2.

  Кожухотрубні теплообмінники із зовнішнім діаметром кожуха 159-426 мм виготовляють із стандартних труб. Кожухи теплообмінників діаметром понад 400 мм виготовляють зварними з листового прокату вуглецевої або неіржавіючої сталі.

  Кожухотрубні теплообмінники з U- образними трубами застосовують для теплообміну при температурах від мінус 30 °С до плюс 450 °С і тиску в межах 1,6-6,4 МПа. Стандартні теплообмінники виготовляють з діаметром кожуха від 325 до 400 мм. Кожух і розподільна камера можуть бути виготовлені із сталі ВМСтЗСн або 16ГС, теплообмінні труби - із сталі 20, в конденсаторах - із сплаву АМг2М.

При температурах теплоносія вище 400°С застосовують леговані марки сталі. Труби для теплообмінників вибирають, виходячи з агресивності теплоносіїв. Для стандартних теплообмінників застосовують труби з вуглецевої сталі 10 і 20, коррозійностійкої сталі 0Х18Н10Т і латуні ЛОМ 70-1-0,06. Для конденсаторів застосовують труби з латуні ЛАМш 77-2-0,06. При використовуванні агресивних теплоносіїв приймають труби із сталі Х5М, а трубні грати виготовляють із сталі 16ГС плі двошарової сталі 16ГС+ Х18Н10Т.

  Кожухотрубні теплообмінники зі всіх видів теплообмінників найпростіші по конструкції, прості в експлуатації і володіють невисокою ціною, тому даний вид теплообмінників має найбільше застосування по відношенню до інших видів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Умови безпечної експлуатації апарата і питання екології

Експлуатація теплообмінників ведеться згідно з інструкцією, яка затверджена головним інженером підприємства. В якій вказується: порядок обслуговування апарата під час нормальних умов і аварій; права і обов`язки чергового персонала; 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 підлягав ремонту із заміною листів, то перед запуском повинно бути проведена гідравлічна перевірка. 
 На процес теплопередачі чинить великий вплив 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 апарата.Існують такі способи очищення теплообмінних  поверхонь. 
 Механічний. Для очищення м`яких осадів використовуються волосяні щітки і щітки із латуної проволки, металічні йоржі. Тверда накип видаляється жорсткими проволочними щітками. Механічний спосіб часто пов`язаний з розбиранням апарата. 
 Хімічний. При цьому способі апарати заповнюють хімічними реактивами з наступним промиванням. 
 Гідравлічний. Застосовується для видалення не прилипаючи відкладень – піску, листя і т.д. – за допомогою струменя 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 відділяється і змивається водою. 
 При роботі теплообмінника шкідливих викидів в атмосферу немає, лише тепловий потік з поверхні апарата, який можна максимально обмежити, використовуючи ізоляцію.  
 Однією з екологічних проблем є стічні води, які утворюються при митті апарата, вони містять велику кількість забруднюючих речовин. Тому перед скидом цих вод в каналізацію необхідно встановлювати очисні споруди. 
 Ці теплообмінники не належать до тих, що можуть забруднювати навколишнє середовище, що є великою перевагою у його використанні.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновок

Виконавши курсовий проект з дисципліни «Процеси та апарати харчових виробництв», проектування кожухотрубного теплообмінника призначеного для пастеризації продукту, привівши в цій роботі теоретичні відомості, а також зробивши розрахунки, можна сказати, що цей апарат є вигідним у харчовій промисловоті. Адже він є досить енергозберігаючим та не надто витратним; являється невід’ємною частиною харчової обробки того чи іншого продукту.

На підставі проведених розрахунків, був спроектований чотириходовий кожухотрубчастий теплообмінник, котрий надасть можливість проводити технологічний процес пастеризації продукту з заданими технологічними параметрами. До даного теплообмінника було підібрано допоміжне обладнання, а також були прийняті новизни технологічних та конструктивних рішень.

Дана робота надає  теоретичні та практичні навики знайомства з основними принципами та методами розрахунку кожухотрубного теплообмінника. Разом з тим, ця наукова праця розвиває навики прийняття технічних рішень, а також поглиблює знання з теоретичних основ процесу теплообміну, з технологією теплообміну, безпосередньо, кожухотрубного теплообмінника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаних джерел

1. Тарасенко І.І. Процеси та апарати харчових виробництв: Навч.посіб.–/ Тарасенко І.І. К.:Київ.нац. торг.-екон.ун-т,2002.-203 с.
2. Барановський Н.В. Прастинчаті та спіральні теплообмінники./  Барановський Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецький А.Р.-М.:Машинобудування,1993.
3. Кошкін В.К. Теплообмінні апарати та теплоносії./ Кошкін В.К., Калінін Є.К. - М.:Машинобудування,1971.
4. Лунін О.Г. Теплообмінні апарати харчової промисловості./ Лунін О.Г -М.:Харчова промисловість,1973
5. Стабников Н.В. Процеси та апарати харчових виробництв. / Стабников Н.В., Лисянський М.В., Попов В.Д., М.:Агропромиздат,1985.
6. К.Ф. Павлов, Приклади та задачі з курсу процеси та апарати хімічної технології: Навчальний посібник для вузів / [К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. ] Під ред. П.Г. Романкова.- 9-е видав.,прероб. Та доп.-Л.:Хімія,1981.
7. І.В.Доманський. Машини та апарати хімічних виробництв: приклади та задачі. Навчальний підручник для студентів вищих вузів. [І.В.Доманський, В.П. Ісаков, Г.М.Островський та ін.]; Під заг. ред. В.Н. Соколова.- Л.:Машинобудівництво,1982.
8. Г.С. Борисов. Основні процеси та апарати хімічної технології: Підручник з проектування / [Г.С. Борисов, В.П. Бриков, Ю.І. Дитнерський та ін.]. Під ред.. Б.І.Дитнерського, 2-е видав., перероб. Та доповн.-М.:Хімія,1991.
9. Проектування процесів та апаратів харчових виробництв / Під ред.. В.Н. Стабникова.-К.:Вища школа,1982.
10. ГОСТ 14249-89. Судини та апарати. Норми та методи розрахунку на міцність. – Взамен ГОСТ 14249-89; Введ. 18.05.89. – М.:Держ.ком. СРСР по стандартам,1989.-80 с.,
11. 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 політи України,2000.-301 с., іл..