|
|
2007
Министерство аграрной политики Украины
Сумский национальний аграрный университет
Кафедра технологического оборудования пищевых производств
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
по дисциплине “Процессы и аппараты пищевых производств”
Тема работы: Расчет и проектирование вертикального кожухотрубного теплообменника для пастеризации продукта.
Руководитель проекта
Студент
Группа
Юхименко Н.П.
Калюжный Д.В.
ТМЯ-0503-1
2007
Министерство аграрной политики Украины
Сумский национальний аграрный университет
Кафедра технологического оборудования пищевых производств
Задание на курсовой проект
по дисциплине „Процессы и аппараты пищевых производств
Студенту Калюжному Д. В. группы ТМЯ-0503-1 II курса
1. Тема курсового проекта “Расчет и проектирование вертикального кожухотрубного теплообменника для пастеризации продукта”
2. Основные начальные данные: Расчитать и спроектировать вертикальный кожухотрубный теплообменник (G=2,8 ) для пастеризации продукта от начальной температуры t1=12 0C до конечной температуры t2=70 0C. Продукт попадает в трубное пространство принудительно с помощью насоса и движется по трубам со скоростью w=2,0 , горячий теплоноситель (греющий водяной пар) попадает в межтрубное пространство с tп=140 0С
3. Перечень обязательного графического материала: технологическая схема участка пастеризации продукта, сборочный чертеж теплообменника кожухотрубного, всего 1,25 листа формата А1.
4. Рекомндуемая специальная литература: процессы и аппараты пищевых производств; Расчет и проектирование теплообменников; методические указания к выполнению курсового проекта/Сумы: Сумский национальный аграрный университет, 2002. – 26 с.
5. Срок выполнения ____________________________________
6. Срок защиты _______________________________________
7. Дата выдачи задания «___» _______________ 2007р.
Руководитель проекта
Юхименко Н. П.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Теоретические основы теплообменного процесса. Выбор конструкции аппарата
1.1 Одноходовой кожухотрубный теплообменник
1.2 Общие сведения о развальцовке труб теплообменника
2 Расчетно-конструкторская часть
1. Тепловой расчет аппарата
2. Конструктивный расчет аппарата
3. Гидравлический расчет аппарата
4. Расчеты на прочность
3 Расчеты и выбор вспомогательного оборудования
3.1 Выбор насоса
3.2 Выбор резервуаров
4 Новизна принятых конструктивных и технологических решений
ВЫВОД
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А. Кожухотрубный теплообменник
ВВЕДЕНИЕ
Рациональное и эффективное использование тепловой энергии является сегодня определяющим фактором в выборе стратегии технического и технологического перевооружения предприятий.
Качество, цена, надежность, экономичность и доступность сервисного обслуживания – вот те критерии, на которые ориентируется большинство организаций, принимающих решение о закупке необходимого оборудования. В этой связи не вызывает сомнений актуальность высококачественных теплообменных кожухотрубных аппаратов находящим самое широкое применение в пищевой, нефтехимической, химической промышленности, в ЖКХ, энергетике.
Ясность, наглядность и очевидность технико-экономических преимуществ новейших технических и технологических решений по сравнению с морально устаревшим оборудованием является основным и необходимым условием, которое должно учитываться при выборе соответствующего оборудования. Но самым важным критерием выбора аппарата является его экономическая обоснованность. Экономия теплоресурсов позволяет снизить цену на изготвляемую продукцию, что не мало важно в условиях жесткой конкуренции.
1 Теоретические основы теплообменного процесса. Выбор конструкции аппарата
Тепловые процессы — технологические процессы, которые протекают со скоростью, обусловленной законами теплопередачи.
Теплообменные аппараты — аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов.
Теплоносители — тела (среды), которые принимают участие в теплообмене.
Существует три способа переноса тепла: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.
Теплопроводность – явление переноса тепловой энергии непосредственным контактом между частичками тела.
Конвективный теплообмен – процесс распространения в следствии движения жидкости или газа.
Естественная (свободная) конвекция обусловлена разностью плотности в разных точках объема теплоносителя, который возникает вследствие разности температур в этих точках.
Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движением всего объема теплоносителя.
Тепловое излучение – процесс передачи тепла от одного тела к другому, распространением электромагнитных волн в пространстве между этими телами.
Теплоотдача — процесс переноса тепла от стенки до теплоносителя или в обратном направлении.
Теплопередача — процесс передачи тепла от более нагретого менее нагретому теплоносителю через разделяющую их поверхность или твердую стенку.
При проектировании теплообменных аппаратов тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена F, (м2), по основному уравнению теплопередачи:
, (1.1)
где
Q – тепловая нагрузка теплообменника, (Вт);
Dtср – средняя разность температур, (0С);
К – коэффициент теплопередачи, .
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м2 стенки при разности между теплоносителями, равной 1 град.
Тепловую нагрузку теплообменника определяют из уравнения теплового баланса. Если пренебречь потерями тепла к окружающей среде, которые обычно не превышают 5%, то уравнение теплового баланса будет иметь вид:
Q=Q1=Q2, (1.2)
где
Q1 и Q2 – количество тепла, которое отдал горячий теплоноситель и которое передано холодному теплоносителю соответственно, (Вт).
Во время теплообмена между теплоносителями уменьшается энтальпия (теплосодержание) горячего теплоносителя и увеличивается энтальпия холодного теплоносителя. Уравнение теплового баланса (1.2) в развернутом виде:
Q=G1(i1п-i1к) =G2(i2к-i2п), (1.3)
где
G1 и G2 – затрата горячего и холодного теплоносителя соответственно, ;
i1п, i1к – начальная и конечная энтальпии горячего теплоносителя, ;
i2п, i2к – начальная и конечная энтальпии холодного теплоносителя, .
Если во время теплообмена не изменяется агрегатное состояние теплоносителей, энтальпии последних приравнивают произведению теплоемкости на температуру и тогда уравнение теплового баланса (1.3) будет иметь вид:
Q=G1c1(t1п-t1к) =G2c2(t2к-t2п), (1.4)
где
c1 и с2 – средние удельные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей соответственно, ;
t1п, t1к – температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат и на выходе из него, (0С);
t2к, t2п – температуры холодного теплоносителя на выходе из аппарата и на входе в него, (0С).
Из уравнения (1.4) можно найти затраты горячего или холодного теплоносителей при известных значениях других параметров. В случае использования в качестве горячего теплоносителя насыщенного водяного пара величин i1п, , и i1к, , в уравнении (1.3) будут соответственно энтальпиями пара, который поступает, и конденсата, который выходит из теплообменника. Уравнение теплового баланса, предполагая, что отдача тепла при охлаждении пара к температуре конденсации и при охлаждении конденсата незначительная:
Q=Gгр(i1п-i1к) =G2c2(t2к-t2п), (1.5)
где
где Gгр – затрата греющего пара, .
Предполагая, что отдача тепла при охлаждении пара к температуре конденсации и при охлаждении конденсата незначительная, уравнение теплового баланса (1.5) можно записать в виде:
Q=Gгрr=G2c2(t2к-t2п), (1.6)
где
r – удельная теплота конденсации, .
По уравнениям (1.5) и (1.6) определяют затраты водяного пара. Если греющий пар является влажным, то теплоту конденсации умножаем на степень сухости водного пара. Если имеем тепловые потери в окружающую среду, то величину тепловой нагрузки необходимо умножить на коэффициент, который учитывает тепловые потери. Энтальпию и удельную теплоту конденсации греющего пара определяют по справочникам [6,10]. Коэффициент теплопередачи К, , для плоской теплообменной поверхности:
, (1.7)
где
a1, a2 – коэффициенты теплоотдачи соответственно для горячего и холодного теплоносителя, .
Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2 к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 град.
dст – толщина теплообменной стенки, (м);
lст – коэффициент теплопроводности материала стенки,
Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Коэффициенты теплоотдачи определяют из критерия Нуссельта, а последний находят по разным критериальным уравнениям в зависимости от конкретных условий теплообмена. В случае развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000):
Nu= (1.8)
Для критериев Nu, Re и Pr за определяющую температуру принимается средняя температура жидкости, а для критерия Prст — температура стенки. По линейным размерам в критериях Nu и Re берется внутренний диаметр трубы или эквивалентный диаметр канала. При ламинарном движении (Re<2300):
Nu= (1.9)
Для воздушного теплоносителя формулы (1.8) и (1.9) соответственно:
Nu=0,018Re0,8; (1.10)
Nu=0,13Re0,33Gr0,1. (1.11)
Для случая движения теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников:
Nu=С(dеRe)0,6Pr0,33, (1.12)
где
С – коэффициент, который учитывает присутствие сегментных перегородок в межтрубном пространстве;
dе – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, (м).
, (1.13)
где
f – плоскость поперечного сечения потока, (м2);
П – периметр сечения потока, (м);
D – внутренний диаметр кожуха, (м);
d – внешний диаметр трубы, (м);
z – количество ходов по трубному пространству;
n – количество труб в одном ходе.
При поперечном обтекании пучка труб (угол атаки 90о), шахматном и коридорном расположении труб соответственно:
Nu= (1.14)
Nu= (1.15)
Среднюю разность температур , (0С), в случае прямотечения и противотечения определяют как среднелогарифмическую разность:
, (1.16)
где
Dtб, Dtм – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника, (0С).
Если <2, то среднелогарифмическую разность можно заменить без заметной погрешности среднеарифметической разностью:
. (1.17)
Для аппаратов с перекрестным и смешанным течением теплоносителей средняя разность температур находится путем умножения значения среднелогарифмического температурного напора достигаемого при противотечейной схеме движения теплоносителей на поправочный коэффициент, который определяется по справочникам [4-6].
1.1 Кожухотрубный теплообменник
Для проведения процесса пастеризации продукта выбирается кожухотрубная конструкция теплообменника.
Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в
пищевых производствах.
Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник
с неподвижными трубными решетками (см. рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса-1, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками-2 с закрепленными в них греющими трубами-3 (см. рис. 2), концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища-5. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки-4. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.
Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.
Греющие трубы в трубных решетках размещают несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников(в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника.
Из-за маленькой скорости движения теплоносителей одноходовые теплообменники характеризуются низкими коэффициентами теплоотдачи. С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Так же секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок. Благодаря всем этим способам достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве.
При проектировании кожухотрубных теплообменников теплоноситель, который наиболее загрязняет поверхность теплообмена, направляют в трубное пространство, которое легче очищать.
1.2 Ообщие сведения о развальцовке труб теплообменника
Наиболее распространенный способ крепления труб в решетке — развальцовка. Трубы вставляют в отверстия решетки с некоторым зазором, а затем обкатывают изнутри специальным инструментом, снабженным роликами (вальцовкой). При этом в стенках трубы создаются остаточные пластические деформации, а в трубной решетке — упругие деформации, благодаря чему материал решетки после развальцовки плотно сжимает концы труб. Однако при этом материал труб подвергается наклепу (металл упрочняется с частичной потерей пластичности), что может привести к растрескиванию труб. С уменьшением начального зазора между трубой и отверстием в решетке наклеп уменьшается, поэтому обычно принимают зазор 0,25 мм. Кроме этого для обеспечения качественной развальцовки и возможности замены труб необходимо, чтобы твердость материала трубной решетки превышала твердость материала труб.
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.