Кафедра «Машин и аппаратов химических и пищевых производств»
Курсовая работа
по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»
Кожухотрубчатый теплообменник
Содержание
Введение 4
Кожухотрубчатые теплообменники 4
1 Исходные данные 6
2 Тепловой расчет 7
2.1 Температурные условия нагревания 7
2.2Физические параметры нагреваемого раствора 7
2.3Тепловая нагрузка и расход пара 8
2.4 Расчет коэффициента теплопередачи 8
2.5 Определение поверхности нагрева 11
3 Конструктивный расчет 11
3.1 Расчет проточной части трубного пространства 11
3.2 Размещение трубок на трубной решетке 12
3.3 Определение диаметров патрубков 14
4 Гидравлический расчет 14
5.Список использованной литературы 16
Введение
Нагревание и охлаждение продуктов осуществляется в теплообменных аппаратах (теплообменниках), в которых теплота передается от одного теплоносителя другому. Аппараты для нагревания и охлаждения могут быть простыми теплообменниками, выпарными аппаратами, конденсаторами, пастеризаторами, испарителями и т.п. Их можно разделить на собственно теплообменники, в которых теплообмен - основной технологический процесс, и реакторы, в которых он имеет вспомогательное, хотя и необходимое назначение.
Теплообменники классифицируют по следующим признакам:
по технологической схеме - на прямоточные, противоточные и с поперечным током теплоносителей;
по режиму работы - на теплообменники периодического и непрерывного действия;
по способу передачи теплоты – на теплообменники смешения, или контактные, в которых теплоносители перемешиваются, и поверхностные, в которых теплоносители разделены твердыми стенками;
по основному назначению – на подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы (конденсоры);
по сочетанию фазовых состояний рабочих сред – на жидкостно-жидкостные, парожидкостные и газожидкостные;
по конструктивным признакам.
В качестве теплоносителя в пищевой промышленности наиболее широко применяют насыщенный или перегретый водяной пар.
Теплообменники по способу передачи теплоты разделяют на регенеративные, рекуперативные, смесительные; по конструкции - кожухотрубные, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками.
Наиболее широко используются кожухотрубные и пластинчатые.
Кожухотрубный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя направляется в трубное пространство через один патрубок и выходит из другого. Другой поток вводится в межтрубное пространство, омывает снаружи трубы и выводится из корпуса. Теплообмен осуществляется через стенки труб. Преимущества кожухотрубных теплообменников заключается в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри. Недостатки - сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников, малая доступность межтрубного пространства для очистки и ремонта, сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке.
Улучшение трубчатых теплообменников достигается путем группировки труб в отдельные пучки (ходы), для чего в распределительных коробках устраивают перегородки. Такие теплообменные аппараты называют многоходовыми. При небольшом числе ходов (до 3) перегородки делают по хордам, при большем - радиально или концентрически. Удобно устраивать четное число ходов. Возможно устройство перегородок в межтрубном пространстве, причем как продольно, так и поперечно.
Исходные данные
Разобрать конструкцию кожухотрубчатого теплообменника для обработки молока производительностью 8000 кг/ч.Начальная температура вещества С0,конечная температура С0 давлением греющего пара P=0,2 мПа. Теплообменник собрать из стальных труб, внутренним диаметром dВ=0,030 м2, толщиной стенки =0,002 м, длиной l=2м, скорость холодного теплоносителя v2=1 м/с.
1 Тепловой расчет
1.1 Температурные условия нагревания
По давлению насыщенного пара 0,2 МПа определяем температуру его насыщения ts =120,23 °C. Тогда разности температур в начале Δtб, °C и в конце Δtм, °C нагревания определяем по формулам (1.1) и (1.2):
;
.
Среднюю разность температур определяем по формуле (1.3):
;
Среднюю температуру нагреваемого раствора определяем по формуле (1.4):
1.2 Физические параметры нагреваемого раствора
При средней температуре горячего теплоносителя определяем физические параметры раствора (молоко):
- кинематическая вязкость = 850 ∙ 10-6, Па∙с ;
- плотность ρ = 1015,9кг/м3;
- теплопроводность λ = 0,516 Вт/(м∙К);
- удельная теплоемкость с = 3870Дж/(кг∙К);
Рассчитываем критерий Прандтля:
1.3 Тепловая нагрузка и расход пара
Тепловую нагрузку Q, Вт с учетом тепловых потерь, при х=1,35, определяем по формуле (1.6):
Вт
Расход пара определяем по формуле (1.7):
кг/с
1.4 Расчет коэффициента теплопередачи
Среднюю температуру пленки конденсата определяем по формуле (1.8):
температура стенки :
; (1.9)
Физические параметры воды при температуре пленки конденсата:
- плотность ρ1= 944,5 кг/м3;
- теплопроводность λ1= 0,685 Вт/(м∙К);
- динамическая вязкость μ1= 254,25∙ 10-6, Па∙с.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке определяем по формуле (1.10):
где - ρ1 - плотность;
λ1- теплопроводность;
μ1- динамическая вязкость.
Вт/м2К,
Определяем значение критерия Рейнольдса Re по формуле (1.11):
При Re>104 критерий Нуссельта Nu определяем из критериального уравнения (1.12):
;
Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору вычисляем по формуле (1.13):
,
;
Коэффициент теплопередачи К вычисляем по формуле (1.14):
,
Находим суммарное термическое сопротивление поверхности теплопередачи и загрязнений по формуле (1.15):
,
;
,
Температуру поверхности теплопередачи со стороны горячего теплоносителя находим по формуле (1.16):
,
С,
Уточняем правильность расчета по формуле (1.17):
,
Так как Δ < 5%, расчет выполнен верно.
- Определение поверхности нагрева
Поверхность нагрева подогревателя F, м2, определяем из формулы (1.18):
,
м2
- Конструктивный расчет подогревателя
2.1 Расчет проточной части трубного пространства
Определяем площадь сечения трубок одного хода по формуле (2.1):
,
,
Количество трубок одного хода находим из формулы (2.2):
,
Определяем расчетную длину пучка трубок во всех ходах из формулы (2.3):
,
м;
,
Число ходов в трубном пространстве находим из формулы (2.4):
Общее число трубок, размещаемое на трубной решетке, n найдем из формулы (2.5):
,
.
2.2 Размещение трубок на трубной решетке
Зависимость между общим числом трубок , числом трубок по диагонали и числом трубок на стороне шестиугольника определяется соотношением, выраженным в формуле (2.6):
Из формулы (2.6) найдем количество трубок, расположенных на стороне наибольшего шестиугольника, :
Найдем количество трубок по диагонали наибольшего шестиугольника
Шаг размещения трубок S, мм, находим из формулы (2.7):
(2.7)
м
Диаметр окружности , на котором размещаются крайние трубки, определяем по формуле (2.8):
(2.8)
м,
Внутренний диаметр корпуса найдем из формулы (2.9):
(2.9)
м,
Находим толщину трубчатки:
(2.10)
мм
2.3 Определение диаметров патрубков:
Диаметр патрубка для раствора определяем из формулы (2.11):
,
м,
Диаметр патрубка для подачи пара определяем из формулы (2.12):
м.
3 Гидравлический расчет подогревателя
Основной задачей гидравлического расчета является определение мощности, затрачиваемой на перемещение рабочей среды через аппарат.
Относительная шероховатость трубы найдем из формулы (3.1):
Коэффициент сопротивления трению определяем из формулы (3.2):
(3.2)
Потери давления на трение определяется по формуле (3.3):
, (3.3)
где - скорость молока в канале, м/с;
l – длина канала;
dвн – внутренний диаметр канала, dвн=0,030 м;
- коэффициент сопротивления трению.
Потери давления на прохождение ее местных сопротивлений определяем по формуле (3.4) :
(3.4)
Гидравлическое сопротивление определяем по формуле (3.5):
(3.5)
=38400,68+19302,1=57702
Мощность на валу насоса рассчитывают по формуле (3.6):
м3/c
КПД = 0,4 [5].
Вт
Используем насос для подачи холодного теплоносителя марки X8/18 КПД 0.4, потребная мощность 3 кВт, электродвигатель 4А90L с номинальной мощностью 3кВт при синхронной частоте вращения ротора 50 с-1 массой 28,7 кг.
Список используемой литературы:
- Стабников, В. Н.Процессы и аппараты пищевых производств[Текст] : учеб. для вузов / В. Н. Стабников, В. М. Лысянский, В. Д.Попов.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Агропромиздат, 1976. - 664 с.
- Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств[Текст] : учеб. пособие / под ред. С. М. Гребенюка, Н. С. Михеевой. - М. : Агропромиздат, 1987. - 304 с. : ил.
- Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств[Текст] : учеб. пособие / под ред. С. М. Гребенюка, Н. С. Михеевой. - М. : Агропромиздат, 1987. - 304 с. : ил.
- Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов [Текст] : справочное пособие / под ред. А. С. Гинзбурга . - М. : Пищевая промышленность, 1975. - 224 с. : ил.. - Библиогр.: с. 206-221.
- Соловых, С. Ю.Расчет теплообменника[Электронный ресурс] : метод. указания / С. Ю. Соловых, С. В. Антимонов, В. П. Ханин; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "
- , Каф. машин и аппаратов хим. и пищевых пр-в. - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 2,37 МБ). - , 2006. -Adobe Acrobat Reader
Чертеж Кожухотрубчатый теплообменник
Скачать: