Курсовая работа - Многоходовый кожухотрубный теплообменник - файл n1.docx

Курсовая работа - Многоходовый кожухотрубный теплообменник
скачать (310.1 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx311kb.01.06.2012 13:27скачать

n1.docx

Содержание
1. Задание на проектирование.

2. Использование теплообменников в технологических процессах на предприятиях пищевой промышленности.

3. Описание аппаратурно-технологической схемы (дать название конкретной схемы).

4. Методика расчёт а поверхностных теплообменников.

4.1. Определение количества переданной теплоты Q и расхода греющего пара Д.

4.2. Определение средней движущей силы процесса теплопередачи .

4.3. Расчет коэффициента теплопередачи от пара к стенке трубок.

4.4. Определение критериев Рейнольдса (Re), Прандтля (Pr), Нуссельта (Nu) и коэффициента теплопередачи и от стенки к воде.

4.5. Определение коэффициента теплопередачи К от пара к воде.

4.6. Определение поверхности теплообменника F

5. Конструктивный расчет теплообменника.

5.1. Определение общего количества трубок в теплообменнике.

5.2. Определение общего количества трубок на один ход теплообменника.

5.3. Определение числа ходов теплообменника Z и уточнение числа трубок n.

5.4. Определение внутреннего диаметра корпуса теплообменника Д.

6. Прочностной расчет теплообменника.

6.1. Определение толщины стенки корпуса теплообменника

6.2. Определение толщины стальных трубных решеток

6.3. Расчет фланцевых соединений.

7. Определение диаметров штуцеров.

8. Список рекомендуемой литературы.

9. Приложение.

  1. Задание на проектирование


Рассчитать и спроектировать вертикальный многоходовой кожухотрубный теплообменник типа ТН для нагрева воды в технологическом процессе

Начальная и конечная температура воды соответственно ,С. Вода поступает в трубное пространство теплообменника и проходит по стальным трубкам диаметром 25*2 мм и высотой Н (м) с оптимальной скоростью(м/с). Обогрев осуществляется насыщенным греющим паром с давлением Р(МПа). Потери тепла в окружающую среду применять в размере 5%.


Числовые данные по шрифту.

G =29 кг/с – весовая секундная производительность по воде;

=17 C - начальная температура воды на выходе из теплообменника

=83 C - конечная температура воды в теплообменнике.

= 0,025-2 внутренний диаметр трубок.

Н =2,5 м – длина трубок на 1 ход.

V = 1 м/с – скорость движения воды в трубах (применяем как

оптимальное).

Р =0,30 МПа - давление греющего пара в межтрубном пространстве.


  1. Использование теплообменников в технологических процессах на предприятиях пищевой промышленности

Теплообменные аппараты являются составной частью многих технологических линий пищевой промышленности. Горячая вода, например, находит применение в ряде технологических процессов на предприятиях пищевой промышленности.

- технология сахарного производства, при получении диффузионного сока из свекловичной стружки;

- технология крахмалопаточного производства, при замачивании кукурузного зерна с повышенной температурой и при гидролизации крахмала;

- технология хлебопекарного производства, когда подогретая примерно до 300 вода используется для растворения соли, сахара и приготовления теста;

- технология бродильных производств при дроблении солода в дробилках, при затирании зернопродуктов, при промывке солодовой и хмельной дробины;

- технология консервного производства, при баланшировании плодоовощной продукции, перед расфасовкой в тару и на ряде других технологических линий;

3. Диффузионный процесс извлечения сахара-песка из

свекловичной стружки в технологии сахарного производства.

Описание аппаратурно-технологической схемы процесса.
Примерно до 1800 года диффузионный сок для получения сахара из свекловичной стружки получали прессовым способом. При этом способе извлекали из свеклы 70-80% сока и потери сахара были очень велики.

Диффузионный процесс позволил повысить степень извлечения сахара из свеклы, сократить затраты труда и повысить чистоту получаемого сока.

Диффузия – это способность проникать друг в друга приведенных в соприкосновение смешивающихся между собой различных веществ до достижения равновесия. Движущаяся сила диффузии – разность концентрации веществ в соприкасающихся растворах. Для данного примера – это разность концентрации сахара в стружке свеклы (С) и в растворителе (воде) или диффузионном соке (с), т.е.(С-с).

Количество сахара S, перешедшего из стружки в растворитель, подчиняется закону Фика:

S=Д , (1)

где Д – коэффициент диффузии;

F,x – площадь и толщина слоя соприкасающихся веществ;

t – время соприкосновения слоев.

Величина Д зависит от рода диффундирующего вещества и от температуры диффузии. С повышением температуры Д увеличивается, т.к. возрастает скорость движения молекул, уменьшается вязкость растворителя и молекулам сахара легче продвигаться между молекулами растворителя. В сахарном производстве при получении сока проходят три основных вида диффузии.

В начале процесса, при соприкосновении стружки и воды происходит свободная диффузия, затем вода проникает в клеточный сок (осмос), и после прогрева стружки до 600С и свертывания протоплазмы начинается основной процесс извлечения сахара из вакуолей клеток свеклы в диффузионный сок (диализ).

Типовым диффузионным аппаратом на сахарных заводах России является наклонный аппарат С-17. Он рассчитан на производительность 1500 т свеклы в сутки. Корпус этого аппарата представляет собой корытообразный желоб длинной 22,5 м и шириной 4,1 м, днище которого составлено из двух цилиндрических поверхностей. Корпус установлен под углом 80 и снабжен паровыми камерами для нагрева соко-стружечной смеси. Внутри корпуса вращаются в противоположные стороны два параллельных одинаковых шнека диаметром 2,4 м Витки одного шнека заходят в витки другого, что предотвращает вращение стружки вместе со шнеком. Частота вращения шнека 0,4 – 1,2 об/мин.

Аппаратурно-технологическая схема представлена на рис. 1.




Свекловичную стружку загружают в нижнюю часть диффузионного

аппарата 1, откуда она шнеками передвигается в верхнюю ее часть, куда поступает свежая горячая и жомопрессовая вода. Здесь же находится колесо 2 для выгрузки обессахаренной стружки (жома). Свекловичный жом отжимается с возвращением жидкой части в аппарат 1, а оставшаяся стружка проходит сушку и используется на корм скоту. Потеря с обессахаренной стружкой составляет 0,25- 0,3% к массе свеклы.

Из нижней части аппарата 1 через сито откачивается насосом 3

диффузионный сок, который идет на завод в дальнейшую переработку. Его

подвергают очистке, сгущают в сироп из выпарных аппаратах и уваривают в

вакуум-аппарате. В процессе уваривания часть сахара выкристаллизовывается и получается утфель1. Кристаллы сахара отделяют от паточного раствора на центрифугах, промывают горячей водой, высушивают до влажности не более 0,14% и упаковывают как продукт в пакеты и мешки.

Оставшийся маточный раствор еще раз уваривают в вакуум-аппарате и

получают утфель 2. Чтобы получить больше кристаллов сахара, утфель 2

охлаждают в кристаллизаторах с 80° до 40°С.

После отделения на центрифугах из утфеля2 получаются кристаллы сахара пониженного качества(желтый сахар) и отход производства -меласса. Желтый сахар растворяют (клеруют) в диффузионном соке и прибавляют к сиропу из варки утфеля 1 с тем, чтобы увеличить процент выхода продукта высокого качества.

Аппараты С-17 непрерывного действия работают при температуре не

выше 72°С, т.к. при этой температуре начинается размягчение стружки из-за

начального гидролиза протопектина.

Температура ниже 70°С также опасна из-за усиления действия микроорганизмов.

Осуществлять работу диффузионного аппарата в указанном интервале

температур позволяет регулируемый подвод тепла с насыщенным греющим

паром в рубашку аппарата 1 и подача в него подогретой воды. Пар поступает с заданным давлением Р, а вода с заданным расходом и температурой.

Вода из напорного бака 4 проходит трубное пространство кожухотрубного теплообменника 5, нагревается паром до заданной температуры и с помощью насоса 6 направляется в напорный бак горячей воды 7.Горячая вода из бака 7 поступает в коллектор-смеситель 8, где температуру воды доводят до технологических параметров(около 70°С) и вместе с жомопрессовой водой направляют в диффузионный аппарат 1. Конденсат из теплообменника 5 и аппарата 1 проходит конденсатоотводчик 9 и направляется в сборник конденсата. Конденсат может быть использован для технологических нужд при промывке аппаратов.

4. Методика расчета поверхностных теплообменников.
Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой по трубному пространству кожухотрубный теплообменник жесткой конструкции.

Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и усовершенствования тепловой аппаратуры пищевых производств. Разбивка пучка трубок на ходы и установка межтрубных перегородок приводит к повышению скорости движения рабочих тел, и интенсирует теплообмен в подогревателях.

К поверхностным теплообменникам, в которых передача тела осуществляется через стенку, разграничивающую теплоносители, относятся теплообменники типа «труба в трубе», змеевиковые, кожухотрубные и другие.

Расчет поверхностных теплообменников содержит тепловой, конструктивный и прочностной расчеты.

Процесс передачи тепла от горячего теплоносителя холодному, учитывающей теплоотдачу от горячего теплоносителя стенке, теплопроводность стенки и теплоотдачу от стенки к холодному теплоносителю, подчиняется основному уравнению теплопередачи, которое для установившихся процессов имеет вид:

(2)
Пользуясь уравнением (2) , определяем теплопередающую поверхность температуры F:

F = (3)
Где F – теплопередающая поверхность теплообменника, м2;

Q – количество теплоты, переданное от горячего теплоносителя холодному через стенки нагревательных трубок, Вт.

Значение Q определяется из уравнения теплового баланса теплообменника.

– температурный перепад или средняя движущая сила теплового

процесса, градусы.

Значение определяется из статистики теплового процесса с учетом разницы температур на входе и выходе из теплообменника по среднеарифметической или среднелагорифмической формулам.

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2

Он учитывает теплоотдачу от горячего теплоносителя к стенке и коэффициент теплоотдачи, теплопроводность материала стенки нагревательной трубки и ее толщину б, теплоотдачи от нагретой стенки трубки к холодному теплоносителю и коэффициент теплоотдачи

Определяем значение К по формуле:

Значения коэффициентов теплоотдачи и определяют через критериальные уравнения Nu=f(Re,Pr…), где Nu – критерий Нуссельта, который характеризует теплоотдачу, связан с коэффициентом теплоотдачи а.

Определив F по выражению (2), можем определить и габаритные размеры аппарата, число нагревательных трубок и число ходов.

Тепловой расчет теплообменника включает определение величин Q, , К и последующее определение теплопередающей поверхности теплообменника F по выражению (3). Для этих расчетов необходимо знать физические параметры теплоносителей.

Для горячего теплоносителя эти параметры определяются по таблицам приложений при температуре пленки конденсата. Эта температура примерно на 3 ниже температуры греющего пара, которую определяют по заданному давлению пара Р. Для холодного теплоносителя – физические параметры воды определяют по средней температуре воды.

Для определения физических параметров часто используют метод интерполяции, что допустимо для инженерных расчетов.

По воде при

кг/м3 – плотность;

Дж/(кг К) – средняя удельная теплоемкость;

Вт/(м К) – теплопроводность;

Па с – коэффициент динамической вязкости;

V=0,556м2/с – коэффициент кинематической вязкости.

По пару при t пленки:

температура греющего пара по заданному давлению

пара Р;

-температура пленки конденсата;

кДж/кг – теплота теплообразования;
4.1 Определение количества переданной теплоты Q и расход греющего пара Д определяем из теплового баланса:
Q = = (5)
Где = Д r – приход тепла с греющим паром при конденсации водяного насыщенного пара, Вт;

Д – расход греющего пара, который необходимо определить, кг/с;

= G () – количество теплоты, которое забирает вода и

нагревается от начальной температуры до конечной температуры Вт;

G=V -весовой расход воды, кг/с;

V=объемный расход воды, кг/с;

– плотность воды, кг/м3;

– средняя удельная теплоемкость воды, Дж/кг град.

C учетом теплопотерь в окружающую среду в размере 5% возрастает на коэффициент 1,05

Тогда Q определяем по формуле:

Q= = 1.05 G Cср (), (6)

=1,0594180 (83-17)=8400

=; Д r = 1.05 G Cср), откуда:

4.2. Определение средней движущей силы процесса теплопередачи
В расчетной практике рекомендуется определять среднюю разность температур, так же как при противотока, а значение вводить поправку в виде коэффициента E т.е.

= Е

В случае конденсации пара на трубках расчет будет одинаков, как для прямотока, так и для противотока, а значение коэффициента Е можно принять равным 1, т.е. Е=1

Для определениястроим график изменения температур теплоносителей, как это показано на рисунке, определим , , их отношение и по среднеарифметической формуле (8) или (9).

133

83 t2


17 t1


Рисунок 2-график изменения температур теплоносителей
Для нашего случая горячей теплоноситель не изменит своей температуры, т.к. процесс теплоотдачи идет при конденсации пара.

Температура холодного теплоносителя возрастает от до

Температура конденсации горячего теплоносителя определяют по

давлению греющего пара.
Если , то
Так как в нашем случае

меньше 2 или больше 2 , то определяем по формуле (8) или (9)
4.3. Расчет коэффициента теплоотдачи пара к стенке трубок.
Рассчитываем коэффициент со стороны греющего пара для случая конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н.
=2,04 ; BT (10)

Значения функции At для воды при температуре конденсации пара приведены в таблице

Температура конденсации пара ,

100

110

120

140

160

180




6960

7100

7240

7340

7490

7520


. - физические параметры в единицах Си (см. приложения) при

температуре пленки конденсата;

t – перепад температур между греющим паром и станками трубок (принимают в пределах от 3 - 8C). О правильности расчетов судят сопоставляя полученное значение и его предельные величины. Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара лежат в пределах =4000-15000 Вт/(м2 )
4.4. Определение критериев Рейнальдса (Re), Прандтля (Pr), Нуссельта(Nu) и коэффициента теплоотдачи от стенки трубок в воде.
Критериальное уравнение, которое лежит в основе определения коэффициента теплоотдачи имеет вид:
Nu = A (11)
Где A, m, n - коэффициент и показатели степени , величины которых зависят от числа Re и режима ввода жидкости;
Re = – критерий Рейнальдса, который характеризует соотношения между силами инерции и силами трения. В зависимости от числа Re имеет тот или иной режим движения жидкости и, следовательно, то или иное критериальное уравнение (11).
Re=1=37769

Здесь V=1м/с – средняя скорость движения воды в трубном пространстве на 1 ход (задана);

=0,025-20,002=0,021 м – внутренний диаметр нагревательной трубы (задан).

Pr = - критерий Прандтля. Он характеризует соотношение физических величин теплоносителя.

Pr=
?, ?, V, Сср, ? – плотность, вязкость, теплоемкость и теплопроводность воды при средней температуре.

При значениях Re> имеет место устойчивый турбулентный режим движения воды. В этом случае критериальное уравнение имеет вид:
Nu = 0.023 (12)
Nu=0,023
Критерий Нуссельта характеризует теплоотдачу и связан с коэффициентом выражением:
Nu = . =5608 Вт/( К) (13)
4.5. Определение коэффициента теплопередачи К от пара к воде.
С учетом знаний и толщины стенки трубки б = 0,002 м и ее теплопроводности ?ср = 4605 Вт/(м К), определяем коэффициент К по выражению (4)


, Вт/( К)
К=
Сопоставляет полученное значение К с пределами для К. Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи от конденсирующегося пара к воде лежат в пределах К = 800-3500 Вт/(м2 К)
4.6. Определение поверхности теплообменника F.
Поверхность теплообменника определяем из основного уравнения теплопередачи по выражению (3)
F=
F=

5. Конструктивный расчет теплообменника.
5.1. Определение общего количества трубок в теплообменнике.
n =
n =

Где F – поверхность теплообменника, м2

- боковая поверхность одной нагревательной трубки,

= 0,025 м – наружный диаметр трубки (задан);

Н=2,5м – высота трубки, м (задана).
5.2. Определение количества трубок на один ход теплообменника.
Количество трубок на 1 ход теплообменника можно определить из уравнения неразрывности потока, если задана скорость воды на один ход (?=1м/с) и внутренний диаметр трубки (= 0,021 м) а именно:
V=? S (14)
Где V = - объемный расход воды, м3/с;

G – весовой расход воды, кг/с (задан);

? – плотность воды, кг/м3 при tср;

? = 1 м/с – средняя скорость воды на 1 ход (задана);

S = - площадь живого сечения трубного пространства на 1 ход ,

= число трубок на один ход, шт.

Таким образом, при ? = 1 м/с имеем V=S или

V =, откуда =


5.3. Определение числа ходов теплообменника Z и уточнение числа

трубок n.
Предварительное число ходов можно определить отношением общего количества трубок n к количеству трубок на один ход, т.е. Z =

Реальное число ходов в теплообменнике должно быть четным, т.е. Z = 2, 4 и т.д.

Принимаем Z = 2 и пересчитываем на реальное число труб, взяв за основу и Z = 2.
N = Z (16)
В последующих расчетах используют число трубок n по формуле (16).
5.4.Определение внутреннего диаметра корпуса теплообменника Дв.

Дв определяют по формуле:

Дв = 1,1 t (17)
Дв=1,1
Где t = (1,2-1,4), но не менее, чем t= = 25 мм равен 32 мм.

Принимаем t = 32 мм.
n – число трубок по формуле (16);

= 0,6-0,8 – коэффициент заполнения трубной решетки.

Принимаем = 0,7.

После расчета Дв по формуле (17) принимаем ближайшее большее значение

Дв трубы по ГоСТу
6.Прочностной расчет теплообменника.
6.1. Определение толщины стенки корпуса теплообменника
Толщину стенки корпуса теплообменника бк определяют с учетом давления греющего пара Р ( кгс/), величины Дв(см), допускаемого напряжения для стали = 890-950 кг/ по формуле:
=+С (18)
=
где = 0,9 – коэффициент прочности сварного шва;

= 900 кг/см2(принимаем) – допускаемое напряжение для стали;

С = (0,2-0,8)см – прибавка на коррозию.

Определив по формуле (18), окончательно принимаем нормализованную толщину стенки.
6.2. Определение толщины стальных трубных решеток
Трубные решетки изготавливаются из листовой стали. Толщина стальных трубных решеток берется в пределах (15 – 35)мм и выбирается в зависимости от диаметра развальцованных трубок и шага трубок в решетке t. При заданном шаге t толщина должна быть не менее, рассчитанной по формуле:

= (19)
=
C учетом сказанного, окончательно принимаем толщину трубной решетки, = 25 мм.
6.3. Расчет фланцевых соединений.
При расчете фланцевых соединений задаемся размером стягивающего болта. Принимаем во фланцевом соединении для аппаратов Дв = 300-2000 мм стальной болт М16.

Определяем допустимую нагрузку на один болт при затяжке

== (20)

где = 1,4 см – внутренний диаметр резьбы болта;

= 0,2 см – конструктивная прибавка для болтов из углеродистой стали;

= 900 кг/ – допустимое напряжение на растяжение.

Шаг между болтами ? 5d, т.е. менее 80 мм.

Принимаем=65 мм.

Тогда определяем количество болтов
= (21)
== 32
= 25 мм принимаем конструктивно так, чтобы удобно было работать ключом на фланцах.
c:\users\valentin\desktop\безымянный.jpg
Рисунок 3 –Фланцевое соединение. Число болтов фланцевого соединения принимают кратным четырем, т.е. = 4,8,12 и т.д.

Определив по формуле (21) и с учетом сказанного, окончательно принимаем .

Определяем нагрузку на все болты фланцевого соединения (см.рисунок)по формуле:
= =1017
Фланец рассчитывают на изгиб под действием силы по формуле:

=
Где l = 25 мм = 2,5 см – плечо силы. Размер l = 25 мм выбран из

конструктивных соображений и удобства работы с гаечным ключом.

Напряжение изгиба во фланце
==(22)
Где W= = - момент сопротивления

Допустимое напряжение рекомендуется принимать не менее

чем с двукратным запасом, т.е для стальных фланцев

Тогда можно определить минимальную толщину фланца h из формулы(22):
450 =

Откуда
h = (23)
где = ( + 2)-наружный диаметр корпуса теплообменника, см.
=61,6+2
h=25

Значение h, рассчитанное по формуле (23),будет менее 25 мм. Исходя из конструктивных соображений и, зная, что толщина трубной решетки h=25 мм,

Принимаем с запасом толщину фланца h=25 мм (см рисунок).

7.Определение диаметров штуцеров.
Диаметр штуцера (условный проход) на входе и выходе теплоносителей определяют по формуле:
= (24)


Где V –секундный объемный расход жидкости или пара в штуцере, м3 / с

v-средняя скорость жидкости или пара в штуцере, м/с

Скорости движения рабочих сред в трубах штуцеров лежат в пределах:

-для жидкостей v=(1-3)м/с;

-для конденсата греющего пара v=(1-2) м/с;

-для пара v =(35-40) м/с

Величина V либо задана, либо определяется через весовой расход G и

плотность среды.

Так для пара с расходом Д кг/с
V =

где -плотность пара при температуре конденсации

По найденному значению принимаем нормализованный штуцер ближайшего наружного диаметра


СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. М:Колосс 1997.

2.Павлов К.Ф., Романков П.Г., носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии – Ленинград.: Химия, 1987.

3.Основные процессы и аппараты химической технологии /Под редакцией Дытнерского Ю.И. – М.:Химия, 1983.

4.Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств /Под редакцией Гребенюка С.М. И.М.Михеевой. – М: Агропромиздат.1987.

5.Лащинский А.А., Толщинский А.Р. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. – Л.:Машиностроение,1977.

6.Технология и оборудование пищевых производств /Под редакцией Назарова Н.И. – М.:Пищевая промышленность, 1977.

7.Кавецкий Г.Д., Николаев В.П., Васильев Б.В. Применение и расчет теплообменников на предприятиях пищевой промышленности. Учебное пособие – М.:1997.

8. Кавецкий Г.Д., Николаев В.П., Васильев Б.В. Методические указания по курсовому проектированию. – М.,МГЗИПП,1999.

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации