Беднарская Е.А., Мишта Е.А., Мишта П.В. Теплообменные аппараты. Порядок выполнения семестровой работы по курсу Процессы и аппараты пищевых производств - файл n1.docx

приобрести
Беднарская Е.А., Мишта Е.А., Мишта П.В. Теплообменные аппараты. Порядок выполнения семестровой работы по курсу Процессы и аппараты пищевых производств
скачать (469.4 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx470kb.08.07.2012 16:13скачать

n1.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОУ ВПО ВОЛГЛГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ СЕМЕСТРОВОЙ РАБОТЫ ПО КУРСУ «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»

Учебное пособие

http://www.vstu.ru/docs/rio/rio_logo_s.jpg
Волгоград

2010
УДК 621.184.64:664(075)

Рецензенты:

Декан факультета Теплоэнергоснабжения ВолГАСУ

Доктор технических наук, профессор Мензелинцева Н.В.

Заведующий кафедрой «Сервис» РГУТИС

Кандидат химических наук, доцент Карев В.Н.
Печатается по разрешению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета.
Беднарская Е.А., Мишта Е.А.,. Мишта П.В.

«Теплообменные аппараты. Порядок выполнения семестровой работы по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»: учеб. пособие/ Е.А. Беднарская, П.В. Мишта, Е.А. Мишта

ВолгГТУ.- Волгоград2010.-48

В пособии даны методические указания для выполнения семестровой работы по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств». Цель пособия – приобретение практических навыков расчета тепловых процессов пищевой промышленности. Приведены три варианта расчета теплообменников для проведения процессов охлаждения, нагревания, конденсации (кипения).

Пособие соответствует стандарту курса «Процессы и аппараты пищевых производств» и предназначено для самостоятельной работы студентов направлений 150100 «Технологические машины и оборудование» , 260100 «Технология продуктов питания».

Рис.7. Библиогр.: 5 назв.

 Волгоградский государственный

технический университет, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

4

1 Тепловые процессы

5

1.1 Общие сведения

5

1.2 Механизм процесса теплообмена

5

1.3 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

6

1.4 Способы подвода и отвода тепла в теплообменниках

15

2 Общие положения по расчету тепловых аппаратов

17

2.1 Проектный и проверочный расчеты

17

2.2 Алгоритм расчета теплообменников

18

2.3 Технологический расчет теплообменных аппаратов

19

2.4 Определение коэффициентов теплоотдачи

21

2.5 Уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи для

установившихся тепловых процессов

23

3 Расчет холодильника

27

4 Расчет конденсатора

34

5 Расчет кипятильника (испарителя)

40

Список литературы

47



ВВЕДЕНИЕ

Рациональное и эффективное использование тепловой энергии является определяющим фактором в выборе стратегии технического и технологического перевооружения предприятий.

Критерии на которые ориентируются перерабатывающие предприятия при необходимости замены оборудования - это качество, цена, надежность , экономичность, простота сервисного обслуживания.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов является основным необходимым элементом при выборе конструкции теплообменных установок. От того, насколько корректно будет произведен этот расчет, будет зависеть эффективность их работы

В промышленности применяют различного вида теплообменники: холодильники, подогреватели, конденсаторы, испарители, кипятильники. Название теплообменнику дается исходя из его целевого назначения.

Данные методические указания должны помочь студентам приобрести навыки в расчете основных типов рекуперативных теплообменников. Они облегчат работу студентов при выполнении семестрового задания и также при освоении такого важного раздела курса ПАПП, как теплопередача в пищевой аппаратуре.
1 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообмен – передача энергии форме тепла от более нагретого тела к менее нагретому через разделяющую их стенку.

Движущей силой теплообмена является разность температур:

при этом

Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, менее нагретого – возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Теплопередача – наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат основе тепловых процессов – нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания. Они имеют большое значение для интенсификации многих массообменных процессов (абсорбции, адсорбции, перегонки, экстракции, сушки т.д.).

Различают три принципиально различных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекция тепловое излучение.

1.2 МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА

Нагревание раствора теплоносителем осуществляется в три этапа: 1 этап – отдача тепла от теплоносителя к стенке ; 2 этап – провождение этого тепла через себя стенкой ; 3 этап – отдача тепла стенкой раствору. Эти этапы описываются следующими уравнениями:

1. – основное уравнение теплоотдачи.

2. – основное уравнение теплопроводности.

3. – основное уравнение теплоотдачи.

уравнение теплопередачи
– средняя движущая сила процесса теплопередачи.

где Q – количество тепла, передаваемое от более нагретого тела к менее нагретому, [Вт];

- коэффициент теплоотдачи от теплоносителя стенке и от стенок к раствору, который показывает, какое количество тепла отдано к единице поверхности стенки от единицы её поверхности при разности температур 1°C, т.е. скорость отдачи тепла;

– коэффициент теплопроводности стенки, который показывает какое количество тепла проводила стенка через единицу её толщины при температуре 1°C, т.е. скорость проводимости тепла стенкой;

k – коэффициент теплопередачи от более нагретого тела к менее нагретому через разделяющую их стенку, ,который показывает, какое количество тепла передано через единицу поверхности стенки при разности температур 1°C, т.е. скорость передачи тепла;

F – теплообменная поверхность стенки теплового аппарата, м2;

? – толщина стенки, м.

1.3 НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и др.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств. Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких до нескольких тысяч квадратных метров в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. Выбор конструкции аппарата для определенных условий теплообменного процесса зависит в основном от эрудиции и интуиции конструктора. Однако существуют рекомендации общего характера, которыми можно руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в нем теплоносителей.

При высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники; в этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус.

Коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника.

При использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью.

Если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках — это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых — внутренняя).

Для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости теплоносителя (так, например, при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности, для чего следует подобрать аппарат соответствующей конструкции).

В аппаратах, предназначенных для нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от целевого назначения аппарата их называют теплообменными аппаратами, которые классифицируются по способу передачи тепла и назначению

По направлению движения теплоносителей:

В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на группы.

Аппараты смешения, в которых передача тепла происходит при их непосредственном контакте. В зависимости от назначения аппараты подразделяются на следующие группы: теплообменники; нагреватели; холодильники; испарители - конденсаторы; кристаллизаторы.

Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача пепла между теплоносителями осуществляется через разделяющую их поверхность: регенеративные; рекуперативные.

В регенеративных ТА передача тепла происходит за счет попеременного соприкосновения теплоносителей с одной и той же стороны.

В рекуперативных ТА теплообмен происходит через разделительную стенку. Такие аппараты классифицируются по конструктивному признаку на: кожухотрубные ТА; секционные ТА; типа «труба в трубе»; пластинчатые ТА; оросительные ТА; U или V-образные; спиральные ТА; аппараты воздушного охлаждения

Кожухотрубные теплообменные аппараты классифицируются:

по способу компенсации температурных деформаций; по расположению; по назначению.

Основными элементами кожухотрубных теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, перегородки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой. Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и в межтрубном пространствах. Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки ввальцованы в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего агента.

Трубки применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют больший диаметры при вязких или загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи целесообразнее применять трубки меньшего диаметра.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. Теплообменные аппараты подразделяются по назначению на теплообменники (Т), холодильники (X), конденсаторы (К).

В качестве охладительной среды в холодильниках и конденсаторах применяется вода или другая нетоксичная, невзрывоопасная и не пожароопасная жидкость с температурой кипения при давлении 0,07 МПа свыше 60 градусов


Рисунок - 1 Кожухотрубные а) одпоходовый и б) четырехходовый теплообменники: I, II-теплоносители; 1-корпус (кожух); 2-трубные

решетки; 3-пучек труб; 4-крышки (распределит. камеры)

5,6-перегородки соответственно во внутриутробном и межтрубном пространстве
Кожухотрубчатые теплообменники бывают жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции. Жесткая конструкция применяется, когда разность температур корпуса и труб относительно небольшая. Такие теплообменники отличаются простотой устройства. Теплообменники нежесткой конструкции предусматривают возможность перемещения теплообменных труб и корпуса, что приводит к устранению лишних напряжений от температур. Динамика конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.



Рисунок 2 Горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник

с линзовым компенсатором

Кожухотрубчатые теплообменники полужесткой конструкции компенсируют температурные деформации осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе. Полужесткая конструкция обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10-15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см2.

Теплообменники типа «труба в трубе» по конструкции делятся на

Однопоточные разборные теплообменники состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство.

Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена



Рисунок 3 Однопоточный разборный теплообменник

типа «труба в трубе»



Рисунок 4 Элементный (секционный) теплообменник

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания. Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Элементные теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов—секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме — противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата—трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75—30 м2, число трубок — от 4 до 140
.

Рисунок 5 Вертикальный спиральный теплообменник
Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов, навитых вокруг центральной перегородки. Ширина кольцевой щели 5-25 мм. Их применяют в качестве теплообменников, испарителей, конденсаторов, при нагревании и охлаждении высоковязких жидкостей. Достоинством такого типа аппаратов является компактность, создание высоких скоростей и, как следствие высокие тепловые показатели.

К недостаткам аппаратов этой конструкции относится сложность изготовления и трудность обеспечивания плотности соединений.

Пластинчатые аппараты. В пищевой промышленности распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений. Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4—7 мм).


а) б)



в)

Рисунок 6 Пластинчатый теплообменник:

а) пластинчатый теплообменник; б) пластины;

в) расположение пластин и уплотнительных прокладок.
Недостаток таких аппаратов – большой периметр уплотнительных соединений, что усложняет их герметизацию.
1.4 СПОСОБЫ ПОДВОДА И ОТВОДА ТЕПЛА

В ТЕПЛООБМЕННИКАХ

В пищевой промышленности применяются различные способы подвода и отвода тепла .

Нагревающие агенты. Для подвода тепла использует электроэнергию, топочные газы, полученные сжиганием газообразного, жидкого или твердого топлива, и промежуточные теплоносители воду и водяной пар. Выбор способа подвода тепла и выбор теплоносителей определяются температурой, технологическими и технико-экономическими соображениями.

Наиболее удобным и распространенным теплоносителем является водяной пар. Его легко транспортировать к месту потребления. Достоинством водяного пара как теплоносителя являются высокий коэффициент теплопередачи при его конденсации. Большие значения скрытой теплоты конденсации, возможность использования конденсата и др.

Обычно в качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар, так как расход перегретого пара достаточно высок, а коэффициент теплоотдачи к теплообменной поверхности мал.

К недостаткам водяного пара как теплоносителя можно отнести сравнительно низкую температуру при высоком давлении. Так при абсолютном давлении P=0,98 МПа температура конденсации пара равна 1769°C, и, следовательно, использовать его можно при нагреве на выше 160-170°C.

Для достижения полной конденсации пара в теплообменном аппарате на выходе из него устанавливается конденсатоотдатчик.

Пары высококипящих органических жидкостей, как и водяной пар, получают в котлах, обогреваемых топочными или технологическими газами. После чего их направляют для использования в теплообменники. Образовавшийся конденсат вновь возвращают в котел.

В качестве теплоносителя возможно использование перегретой воды при температуре 350-360 °C, которая циркулирует в системе под давлением выше 20 МПа.

В пищевой промышленности широко применяется электроэнергия в качестве источника тепла.

Охлаждающие агенты. Отвод тепла чаще всего осуществляют с помощью естественных хладагентов - воды и воздуха, а при необходимости достижения более низких температур - с помощью низкотемпературных агентов.

Вода на сегодня является наиболее распространенным охлаждающим агентом. Это обусловлено ее доступностью, высокими коэффициентами теплоотдачи и высокой теплоемкостью (по сравнению с воздухом). Наиболее рациональное использование воды связано с организацией на пищевых предприятиях водооборотных циклов: воду направляют на испарительное охлаждение воздухом в градирнях ,после чего вновь используют в холодильниках. При этом резко сокращается потребность в свежей воде из естественных водоемов.


Рисунок 7 Аппараты с наружными змеевиками :

а, б, в - с приваренными снаружи змеевиками различной формы;

г - с залитыми при изготовлении в стенке змеевиками.

1 - корпус аппарата; 2 – змеевик; 3 - металлическая прокладка
Несмотря на очевидные преимущества воды, как хладагента, в теплотехническом отношении, в последнее время наблюдается явно выраженная тенденция к расширению использования отвода тепла воздухом. Это связано со все увеличивающимся дефицитом воды, а также с пониженными сроками службы водяных холодильников, по сравнению с воздушными (вода коррозирует материалы теплообменников и загрязняет их поверхности отложениями, что требует частых чисток). Отвод тепла воздухом может осуществляться как путем его непосредственного контакта с охлаждаемым веществом (как в упомянутых градирнях), так и в поверхностных холодильниках. В последнем случае из-за низких значений коэффициента теплоотдачи к воздуху теплообменные поверхности делают оребренными .

Отвод тепла при температурах ниже тех, которые могут быть обеспечены применением воды или воздуха, осуществляют с помощью низкотемпературных агентов. К таким хладагентам относят растворы солей, аммиак, сжиженные газы.
2 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ТРАСЧЕТУ ТЕПЛОВЫХ

АППАРАТОВ

2.1 ПРОЕКТНЫЙ И ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТЫ

В пищевой промышленности для проведения тепловых процессов используется в основном типовая аппаратура отечественного или импортного производства. Если известны конструктивные размеры аппарата (диаметр труб, число ходов, поверхность теплообмена и др.) то выполняется проверочный расчет теплообменника. Цель такого расчета является определение соответствия стандартного аппарата заданным технологическим параметрам. Существует несколько подходов к выполнению проверочного расчета. Проще всего определить расчетную поверхность теплообмена и сравнить ее с поверхностью типового аппарата. При существенной разнице размеров необходимо выдать рекомендации по реконструкции типового аппарата. Такая ситуация возникает при модернизации технологических установок с целью увеличения их производительности.

При необходимости спроектировать нестандартное оборудование по заданным технологическим параметрам выполняют проектный расчет. Целью такого расчета является определение поверхности теплообмена, которая удовлетворит заданным условиям. При проведении проектного расчета необходимо свести до минимума использование нестандартного оборудования. Поэтому, определив поверхность теплообмена необходимо подобрать из каталога стандартный аппарат выбранного типа с ближайшей большей поверхностью. Если при проведении проверочного расчета выявляются значительные расхождения в расчетных характеристиках. То вносятся соответствующие коррективы в расчет.

Таким образом, оба расчета (поверочный и проектный) могут быть выполнены по одному алгоритмом. В задачи расчета обязательно включают определение эксплуатационных затрат в виде расходов греющего пара или охлаждающих агентов.
2.2 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Исходными данными для простейшего теплового расчета являются: расход одного из теплоносителей и температуры обоих теплоносителей на входе и на выходе из аппарата.

Расчет поверхности теплообмена состоит из следующих основных стадий.

1.Определение тепловой нагрузки аппарата, средней движущей силы и средних температур теплоносителей.

2.Определение расхода второго вещества из теплового баланса.

3.Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена, а также выбор размеров теплообменных труб и, если возможно, расчет необходимого их количества при обеспечении заданного режима движения теплоносителей.

4.Предварительный выбор нормализованного теплообменника по принятым параметрам. Выписываются те фиксированные геометрические размеры аппарата, которые будут фигурировать в расчете (внутренний диаметр кожуха, число теплообменных труб и т.д.) Параметры, которые не будут непосредственно участвовать в расчете, можно варьировать для обеспечения расчетной поверхности теплообмена при окончательном выборе нормализованного аппарата.

5.Определение частных коэффициентов теплоотдачи для обоих теплоносителей с использованием критериальных уравнений для соответствующих тепловых процессов, режимов теплоносителей, геометрического расположения труб и т.д. Определение термических сопротивлений стенок и загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.

6.Определение общего коэффициента теплопередачи и уточнение температур стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей. Пересчет коэффициента теплопередачи.

7.Определение расчетной поверхности теплообмена по основному уравнению теплопередачи и окончательный выбор нормализованного теплообменника. Определение запаса поверхности теплообмена, необходимого для обеспечения длительной работы аппарата, т.к. на поверхности труб и кожуха образуются разного вида загрязнения (отложение нерастворимых осадков, накипеобразование, ржавчина и т.д.), которые снижают эффективность процесса теплообмена, уменьшая коэффициент теплопередачи.
2.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ

АППАРАТОВ

Расчет теплообменного аппарата заключается в определении необходимой поверхности теплопередачи, выборе типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, представленных в каталогах теплообменных аппаратов. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:
Определение тепловой нагрузки ( Q).

В соответствии с заданными технологическими условиями тепловую нагрузку находят по одному из следующих уравнений:

а) если не меняется агрегатное состояние теплоносителя и раствора

(.) = ()

? нагревание ?

? охлаждение ?

где под индексом «1» -обозначен теплоноситель;

«2» -обозначен обрабатывающий раствор;

- количество теплоносителя, кг/с;

-количество раствора, кг/с;

�� – удельная теплоемкость вещества, определяется при средних температурах сред, как и все теплофизические свойства различных веществ.

Обычно всегда известно количество обрабатываемого раствора ) . Отсюда определяем количество теплоносителя как затрату энергии:
б) если нагревание осуществляется насыщенным водяным паром при конденсации:
Где rD - удельная теплота парообразования (конденсации), Дж/кг -

содержание тепла в 1 кг пара.

Отсюда можно определить количество пара
- определяется из таблицы насыщенных водяных паров.

Тепловые потери при наличии теплоизоляции незначительны, и при расчете тепловых аппаратов их можно не учитывать.

Средняя движущая сила теплопередачи

В соответствии с заданными технологическими условиями находят по одному из следующих уравнений:

а) если не меняется агрегатное состояние сред:

среднелогарифмическое
среднеарифметическое
В аппаратах с прямо - или противоточным движением теплоносителя относительно обрабатываемого раствора определяют между большей и меньшей разностями температур на концах аппарата .

Коэффициент теплопередачи (k)

Его мощность рассчитывать помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:
Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что Rн/Rв>2 (Rн и Rв)-наружный и внутренний радиусы цилиндра. Однако при расчете k при определении ?1 и ?2 необходимо провести ориентировочный расчет выбрать конкретный вариант аппарата, а затем провести уточненный расчет коэффициента теплопередачи требуемой поверхности.

Для определения коэффициента теплопередачи необходимо последовательно рассчитать коэффициенты теплоотдачи ?1 и ?2, и теплопроводности ?.
2.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ

Чаще всего в инженерной практике используются критериальные уравнения процесса теплоотдачи. При выборе критериального уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи необходимо принимать во внимание следующее.

1. Учитывается характер теплообмена: без изменения агрегатного состояния вещества (нагревание, охлаждение), изменением агрегатного состояния вещества (кипение, конденсация).

2. Определяется режим движения теплоносителя, за который при вынужденном движении отвечает критерий Рейнольдса.

3. Характеризуется пространство теплообменника, в котором течет теплоноситель: трубное или межтрубное.

4. Характеризуется геометрическое расположение теплообменных труб: вертикальное или горизонтальное.

5. Характеризуется наличие перемешивающих механических устройств: мешалки, пневматические устройства т.д.

6. Характеризуется вид поверхности теплообмена: плоская, трубчатая, оребренная и т.д.

7. Характеризуется тип конструкции теплообменника: кожухотрубчатый, змеевиковый, “труба в трубе” и т.д.

В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид:

где Г1 иГ2 -симплексы геометрического подобия;

;
? – коэффициент объемного расширения, К-1 ;

d – диаметр аппарата, м;

l– геометрический параметр аппарата, м;

c, ?, ?, ? – удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, динамическая вязкость, кинематическая вязкость (Дж/кг°К, Вт/м°К, Па.с, м2/с);

– скорость потока, м/с;

Т– разность температур между стенкой и средой. (°C)
2.5 УРАВНЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ

ТЕПЛООТДАЧИ ДЛЯ УСТАНОВИВШИХСЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Теплоотдача без изменения агрегатного состояния вещества.

При движении теплоносителя прямых трубах круглого сечения или в каналах некруглого сечения (трубное пространство кожухотрубчатого теплообменника и теплообменника типа “труба трубе”) коэффициент теплоотдачи определяют из следующих уравнений.

а) При развитом турбулентном течении .
- коэффициент, учитывающий отношение длины трубы (L) ее диаметру (d), при

б) При переходном режиме движения (2300< Re<10000):

(2)

в) Ламинарный режим течения (Re . 2300):

(3)

Определяющим геометрическим размером формулах (1) - (3) является эквивалентный диаметр трубы (внутренний диаметр для труб круглого сечения), определяющей температурой, при которой рассчитываются все теплофизические характеристики теплоносителей, - средняя температура тепловых агентов. Prст - критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки.

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника типа “труба в трубе” коэффициент теплоотдачи считают по формулам (1)-(3), подставляя в качестве определяющего размера эквивалентный диаметр кольцевого сечения между двумя трубами:
где -внутренний диаметр наружной трубы,

– наружный диаметр внутренней трубы.

Теплоотдача при поперечном обтекании пучка гладких труб (межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника).

при Re<1000 для коридорных и шахматных пучков:

(4)

при Re1000

для коридорных пучков:
для шахматных пучков:
?. в формулах (4) - (6) принимается применительно к кожухотрубчатым теплообменникам с поперечными перегородками равным 0,6.

Определяющим размером в формулах (4) - (6) является наружный диаметр трубы, определяющей температурой – средняя температура теплоносителя.

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества. При пленочной конденсации насыщенного пара любых веществ коэффициент теплоотдачи определяют следующим образом:

а) в случае конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н c наружным диаметром d среднее значение коэффициента: теплоотдачи d:

б) в случае конденсации на наружной поверхности пучка горизонтальных труб с наружным диаметром d:
В формулах (7) - (8): ?r -поправочный коэффициент на содержание паре неконденсирующихся газов. По рис. 4.9 [1] можно определить . ?r по концентрации неконденсирующихся газов паре; ?t –поправочная функция , учитывающая вязкость теплопроводность конденсата при температуре стенки (µст, ?ст)
Определяющий размер - наружный диаметр труб, или их высота (длина), все теплофизические характеристики определяются для конденсата при температуре конденсации (Тконд), т.е. средней температуре теплоносителя.

G –массовый расход пара, кг/с;

r -удельная теплота парообразования при Тконд, Дж/кг;

- разность температур конденсации температуры стенки;

? - поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали. Определяется по рис. 4.7 [1]. Число труб по вертикали определяют по табл. 4.12. [1].

Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкостей. При кипении в трубах в условиях свободного или вынужденного движения:
формуле (10) все теплофизические характеристики жидкости следует определять при температуре кипения, соответствующей рабочему давлению.

q -удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

? -коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

Ткип -температура кипения жидкости, К;

- разница температуры стенки и средней температуры теплоносителя;

b - безразмерная функция, значение которой определяется по уравнению:
?п - плотность пара, кг/ м3, определяется следующим образом:
где P и Т -рабочие давление и температура,

Pои То - давление и температура при нормальных условиях

?ж -плотность жидкости,

Мп - мольная масса пара, кг/ кмоль.
РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНИКА





50 т/ч водного раствора (растворенное вещество концентрация заданы) охлаждается от 105 до 40 оС водой. Последняя нагревается от 8 до 35 оС. Определить поверхность противоточного теплообменника выбрать его по каталогу.

Составляем схему потоков и обозначаем температуры теплоносителей:

Индекс «1» отнесем к водному раствору (горячему теплоносителю), индекс «2» –к воде (холодному теплоносителю).





105 ? 40 водный раствор (1)

35 ? 8 вода (2)


Определяем большую и меньшую разности температур, также среднюю движущую силу:

Тб =105 - 35=70°C △Тм =40 - 8=32°C;
Определим средние температуры теплоносителей:

;
Следует заметить, что средняя температура одного из теплоносителей ищется как среднее арифметическое значение между начальной конечной температурой только у того теплоносителя, у которого температура изменяется в теплообменнике на меньшее число градусов.

Тепловая нагрузка теплообменника с учетом потерь теплоты (5 %):
где с1 = 0,82 . 4190 = 3435 Дж/(кг К)-теплоемкость данного водного раствора при средней температуре Т1 (рис. XI, [1]).

Расход охлаждающей воды
где с2 = 4190 Дж/(кг К)- теплоемкость воды при средней температуре Т2 (при температуре от 0 до 90 оС практически не изменяется).

Объемные расходы раствора и воды

где?1 = 1125 кг/м3; ?2 = 998 кг/м3 (табл. IV, [1] );

?1 = 0,66 10 -3 Пас; ?.2 = 0,97 10 -3 Пас (рис. V, [1])

(Теплофизические характеристики определяются при Т1 = 70 oC и Т2 = 21,5 oC).

Оценим ориентировочно значение площади теплообмена, определив по табл. 4.8 [1] Кор = 140 Вт/(м2 К) (минимальное значение):
Рассмотрим одиночный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со стальными трубами 25х2 мм.

Раствор (1) направляем в трубное пространство, так как он дает больше загрязнений, а воду (2) – в межтрубное пространство.

Характерный линейный размер для трубного пространства - внутренний диаметр трубы, а для межтрубного пространства - наружный.

1. Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства (раствор).

Для обеспечения турбулентного течения раствора трубном пространстве (Re > 10000) необходима скорость:
Число труб, обеспечивающих расход раствора при Re = 10000:
По табл. 4.12 [1] по Fор и n выбираем для расчета одиночный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с 465 трубами. Площадь варьируется от 73 до 329 м2 в соответствии с длиной труб от 2 до 9 метров.

Рассчитываем 465-трубный теплообменник внутренним диаметром кожуха Dкож.вн. = 800 мм.

Пересчитываем скорость и критерий Рейнольдса для трубного пространства:

Режим переходный (2300 Находим Pr1 и Prст1:
где 1 = 0,461,63 = 0,535 Вт/(м.K) (рис. X, [1]).

2 = 0,511,63 = 0,593 Вт/(м.K) (рис. X, [1]).

Коэффициенты теплопроводности определялись при средних температурах теплоносителей (Tср1 = 70 oC и Tср2 = 21,5 oC)

Принимаем температуру стенки со стороны горячего холодного теплоносителей
При этой температуре определим теплофизические характеристики:

ccт1 = 0,81 4190 = 3394 Дж/(кг. К);

cт1 = 0,93 10-3 Пас; . cт1 = 0,425

Найдем отношение :
Критерий Нуссельта для раствора:

- коэффициент теплоотдачи для раствора в первом приближении:

2.Расчет коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства (вода). Площадь поперечного сечения межтрубного пространства:
где - внутренний диаметр кожуха ,;

- наружный диаметр труб ,;

n – число труб;

- скорость воды в межтрубном пространстве
Критерий Рейнольдса для воды:
Режим переходный. Расчетная формула для расчета критерия Нуссельта для межтрубного пространства:

,где= 0,6.

Теплофизические свойства воды при температуре 48,5:

=4190

=0,54∙Па∙с

=0,55∙1,163=0,640

Определим и :

Отношение :
Критерий Нуссельта для воды:
Коэффициент теплоотдачи для воды в первом приближении:
Сумма термических сопротивлений:

Коэффициент теплопередачи:
Уточнение ранее принятых значений температур стенок со стороны горячего и холодного теплоносителей:


Пересчитаем коэффициенты теплоотдачи.

Определим теплофизические характеристики водного раствора и воды при уточненных температурах стенки:

при температуре стенки со стороны раствора ()


при температуре стенки со стороны воды()


Уточненные значения и :

Отношение

Коэффициент теплопередачи:
Проверка принятых температур стенок:

Так как, температуры стенок практически не отличаются от ранее принятых, то расчет можно считать законченным.

Определение расчетной поверхности теплообмена:
По таблице 4.12 выбираем теплообменник с465 трубами с поверхностью теплообмена и длиной труб – 9 метров.

Запас поверхности теплообмена составит:
4 РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРА

Для расчета дефлегматора и подогревателя применяется аналогичная методика расчета

50 т/ч паров заданной органической жидкости конденсируется при атмосферном давлении при 118 .Тепло при конденсации отводится водой. Вода изменяет свою температуру от 8 до 35 . Определить поверхность противоточного теплообменника и выбрать его по каталогу.

118 118 органическая жидкость (1)

35 8 вода (2)

Средняя движущая сила:


Средние температуры теплоносителей:


Массовый расход жидкости:
Тепловая нагрузка теплообменника с учетом потерь теплоты (5%):
где - при температуре конденсации (кипения)

, таблица XLV,).

Расход воды:
Объемный расход воды:
где ( при таблица IV )Принимаем в первом приближении минимальное значение коэффициента теплопередачи по табл.4.8:
Ориентировочно определяем максимальную величину поверхности теплообмена:
Рассмотрим одноходовой конденсатор с трубами 25х2 мм.

Пары органической жидкости (1) направлены в межтрубное пространство, а воду – в трубное (2).

1.Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства:

Для обеспечения турбулентного режима течения воды в трубном пространстве (Re) необходима скорость:
где– плотность и вязкость воды при температуре

Число труб, обеспечивающих расход воды при Re
По табл. 4.12 [1] по Fор условно выбираем одноходовой кожухотрубный теплообменный аппарат с внутренним диаметром кожуха Dкож.вн. = 800 мм, площадью поверхности теплообмена от 73 до 329 и общим числом труб - ближайшее значение. Выбираем горизонтальное расположение труб.

Для трубного пространства воды (2):

Критерий Рейнольдса для воды при пересчете на другое количество труб:

- режим турбулентный.

Критерий Нуссельта (трубное пространство, турбулентный режим)
- принимаем равным 1;
В первом приближении температуры стенок со стороны горячего и холодного теплоносителей – одинаковы.
Теплофизические свойства воды при :
Критерий Нуссельта для воды:
Коэффициент теплоотдачи для воды в первом приближении:
Расчет межтрубного пространства (1).

Конденсация паров вещества на пучке горизонтальных труб.
зависит от числа труб по вертикали (). По таблице 4.12 для По рисунку 4.7 (для шахматного расположения труб)
(при ;
( при );

– считаем, что воздух в парах органической жидкости не содержится (в противном случае пользуемся рисунком 4.9);

- плотность пленки конденсата органической жидкости при (температура конденсации);

.
Сумма термических сопротивлений:
где

Коэффициент теплопередачи:
Уточнение ранее принятых значений температур стенок со стороны горячего и холодного теплоносителей:


Пересчитаем коэффициенты теплоотдачи.

Определим теплофизические характеристики водного раствора и воды при уточненных температурах стенки:

при температуре стенки со стороны воды ()

При уточненной температуре стенки со стороны органической жидкости ()


(в предыдущем

приближении – 48,2)
Пересчет коэффициента теплопередачи по уточненным данным:
Проверка принятых температур стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей:

Отличие температуры от ранее принятого около 3 % = расчет закончен.

Определение расчетной площади поверхности теплообмена :
По таблице 4.12 выбираем теплообменник с465 трубами с поверхностью теплообмена и длиной труб – 6 метров.

Запас поверхности теплообмена составит:

5 РАСЧЕТ КИПЯТИЛЬНИКА (ИСПАРИТЕЛЯ)

Необходимо испарять 50 т/ч заданной органической жидкости за счет тепла, выделяемого при конденсации водяного пара с избыточным давлением 3 Испарение жидкости происходит при атмосферном давлении.

143143 водяной пар (1)

111111 органическая жидкость (2)

Средняя движущая сила и средние температуры теплоносителей.

Тепловая нагрузка с учетом 5% потери тепла:

, где

- удельная теплота парообразования органической жидкости при средней температуре

Расход греющего пара , с учетом 5% влажности (=0,95):
где=2141 удельная теплота парообразования греющего пара при средней температуре и =4 ( табл. ,)

Для определения ориентировочной поверхности теплообмена необходимо задаться минимальным значением коэффициента теплопередачи.=300 ( табл.4.8)
По таблице 4.12 выбираем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с трубами 25x2 мм с числом труб 747, площадью теплообмена от 176 до 528

В трубном пространстве течет вода (индекс 1), а органическая жидкость – в межтрубном.

Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.

Формула для коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости в трубах:

=776
,

Определяются при
и определяются из соотношений:

где - мольная масса органической жидкости,

P и T – давление и абсолютная температура паров, при которых происходит кипение жидкости в теплообменнике,

- давление и абсолютная температура паров, соответствующие нормальным условиям.

Первое приближение.

Определение температур стенок:

Коэффициент теплоотдачи для органической жидкости:
Расчет межтрубного пространства.

Определение коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации на пучке вертикальных труб:

,

где - коэффициент, учитывающий содержание неконденсирующихся газов в водяном паре.

Принимаем содержание воздуха в водяном паре 0,5% (масс.)

По рисунку 4.9 определено

- характерный линейный размер для межтрубного пространства;


.

Теплофизические характеристики конденсата определены при

.
( при );


Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:
где

Коэффициент теплопередачи:
Уточнение ранее принятых значений температур стенок со стороны горячего и холодного теплоносителей:


Второе приближение.

Коэффициент теплоотдачи.

Для
Коэффициент теплоотдачи для водяного пара:
Для

При сравнении удельных тепловых потоков со стороны конденсирующегося водяного пара () и кипящей органической жидкости:

Отличие существенное .

Коэффициент теплопередачи:
Уточнение принятых температур стенок:

Третье приближение.

Пересчет при новых температурах стенок:

Принимаем - его значение существенно не изменится

Пересчет .

;
При сравнении и
,

Отличие составит более 5%.

По двум последним приближениям строится зависимость Q=

Графически на пересечении прямых линий и определена температура стенки со стороны кипящей органической жидкости:.

Четвертое приближение.

Пересчет :

(в последнем приближении =16,4)
Определение :
При этой температуре (это значение было получено ранее при температуре 138; отличие в температурах менее 1 %).

При сравнении и

,

отличие составляет менее 5%. Расчет закончен.

Коэффициент теплопередачи:
Расчетная поверхность испарителя:
По таблице 4.12 выбираем теплообменник с747 трубами с поверхностью теплообмена и длиной труб –4метров.

Запас поверхности теплообмена составит:
Если температура внутренней поверхности кожуха отличается от температуры внешней поверхности труб больше, чем максимально допустимо, то необходимо принимать теплообменники с температурными компенсаторами. Максимально допустимые разности температур кожуха и труб для кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в таблице XXXV[1]. Конечную температуру охлаждающей воды не следует принимать выше 45 во избежании образования накипи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов.К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А.Носков ; под ред. Чл-кор. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. –Л.: Химия, 1987. -576с.

2. Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевой технологии: учебник для вузов / Г.Д. Кавецкий , Б.В.Васильев – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Колос 2000.-551с.

3. Справочник по теплообменникам: в 2-х т. Т.1 / пер. с англ., под ред. Б.С.Петухова , В.К. Шикова.: М.: -Энергоатомиздат, 1987. -560с.

4. Справочник по теплообменникам: в 2-х т. Т.2 / пер. с англ., под ред. О.Г. Мартыненко и др., М.: -Энергоатомиздат, 1987. -352с.

5. Гребенюк С.М. Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств :учебное пособие для вузов / С.М.Гребенюк, Н.С. Михеева и др.,М.: - Агропромиздат 1987. – 304с.
Составители:

Елена Андреевна Беднарская

Павел Валерьевич Мишта

Елена Александровна Мишта

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

СЕМЕСТРОВОЙ РАБОТЫ ПО КУРСУ

«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»

Тем. План 2010., поз. №_____
Подписано в печать_________. Формат 60x84 1/16.

Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. _______.

Уч.-изд. Л._____. Тираж_____экз. Заказ______. Бесплатно.

Волгоградский государственный технический университет.

400131 Волгоград, просп. Им. В.И.Ленина,28.

РПК «Политехник»иВолгоградского государственногоитехнического университета..

400131 Волгоград, ул.Советская,35.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации