Тепловые процессы. Расчет теплообменных аппаратов типа "труба в трубе"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Задание на контрольную работу

По дисциплине "Процессы и аппараты пищевых продуктов"

Тепловые процессы. Расчет теплообменных аппаратов типа "труба в трубе"

Исходные данные

d1 = 40 мм;

d2 = 42 мм;

D=58 мм;

G1=4000 кг/с;

G2=5000 кг/с;

=87 0С;

=51 0С.

Содержание

Введение

1. Обзор тепловых процессов

2. Описание устройства и принцип работы теплообменного аппарата "труба в трубе"

3. Расчет теплообменника типа "труба в трубе"

Заключение

Список использованных источников

Введение

Одним из наиболее распространенных процессов на предприятиях пищевой промышленности является тепловая обработка материалов, которая в зависимости от характера и цели технологического процесса обеспечивает поддержание температуры на определенном уровне, нагревание, охлаждение или замораживание продуктов, конденсацию паров и т.п.

Наука о процессах и аппаратах является основой каждой отрасли технологии пищевых производств. Возникнув в конце прошлого века, она является научной дисциплиной, которая играет громадную роль в различных современных технологиях пищевых производств [1].

Целью контрольной работы является изучение основных процессов и аппаратов, применяемых в пищевой промышленности, а также формирование навыков расчета и анализа процессов и аппаратов, в том числе, теплообменных аппаратов.

1. Обзор тепловых процессов

Современные пищевые производства оснащены сложными машинами и аппаратами, в которых осуществляются не менее сложные технологические процессы превращения сырья в конечные продукты и полуфабрикаты.

В пищевой промышленности осуществляются самые разнообразные процессы, в которых исходные материалы претерпевают глубокое превращение. Наряду с химическими реакциями протекают физико-химические процессы. К ним относятся: перемешивание жидкостей и твердых материалов, их нагревание и охлаждение.

Тепловые процессы - это процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи, - науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров [2].

а) Теплообменные процессы

Процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Его движущей силой является разность температур между более или менее нагретыми телами [3].

Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Тепловое воздействие на пищевые продукты является необходимым условием технологических процессов большинства пищевых производств. Тепло распространяется в средах, различающихся специфическими свойствами: в хлебопекарном тесте, мармеладе, молоке, сахарных растворах и т.д. В процессе технологической обработки они претерпевают во времени качественные превращения, что вызывает соответствующие изменение условий теплопередачи.

Задачи тепловой обработки пищевых продуктов разнообразны. В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы:

- нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред;

- конденсация паров химически однородных жидкостей и их смесей;

- испарение воды в парогазовую среду (увлажнение воздуха, сушка материалов);

- кипение жидкостей.

В большинстве случаев непосредственный контакт пищевых продуктов с другими теплоносителями недопустим, поэтому теплопередачу осуществляют в различных теплообменниках, где твердая стенка разделяет рабочие среды.

Твердая стенка служит поверхностью нагрева и конструктивно выполняется в виде труб, рубашек и т.д.

Расчет теплообменной арматуры состоит из двух основных этапов:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки на аппарат), то есть количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена F, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи, вычислив предварительно значение средней разности температур между теплоносителями ?tср и коэффициент теплопередачи:

б) Тепловой баланс

Тепло Q1, отдаваемое более нагретым теплоносителем, затрачивается на нагрев более холодного Q2 и на компенсацию потерь Qп в окружающую среду.

Величина Qп в тепловых аппаратах принимается в диапазоне 3-5 %, в первом приближении ею можно пренебречь, тогда тепловой баланс выразится равенством:

Q = Q1 = Q2

где Q - тепловая нагрузка аппарата.

Если расходы горячего и холодного составляют G1 и G2, а их энтальпии на входе в аппарат I1н, I2н и на выходе I1к, I2к соответственно, то уравнение теплового баланса можно записать:

Q = G1*(I1н - I1к)= G2*(I2к - I2н).

в) Основное уравнение теплопередачи

Основным уравнение теплопередачи является общая кинетическая зависимость между тепловым потоком и поверхностью теплообмена F:

где K - коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена;

- средняя разность температур между теплоносителями, определяющими среднюю движущую силу процесса теплопередачи или температурный напор;

- время.

Для непрерывных процессов теплообмена уравнение теплопередачи можно записать в виде:

где Q - тепловой поток - количество тепла, проходящее в единицу времени через произвольную поверхность.

Коэффициент теплопередачи можно определить во формуле:

Размерность этого коэффициента:

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в Дж) проходит за 1 сек от горячего к холодному теплоносителю через поверхность теплообмена в 1 м 2 при средней разности температур между ними, равной 1 градус.

г) Движущая сила теплообменных процессов

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей. Под действием этой разницы тепло передается от горячего теплоносителя к холодному. Эта движущая сила не остается постоянной, а изменяется вдоль поверхности теплообмена.

Поэтому вводится понятие - средняя разность температур, при которой определяются численные значения физических параметров среды.

Рисунок 1 - Схемы относительного движения рабочих сред и изменения их температур вдоль поверхности нагрева:

а) прямоток; б - противоток

При простейших случаях теплопередачи - прямотоке и противотоке - средняя разность температур определяется по уравнению Грасгофа как средняя логарифмическая величина:

Для прямотока:

=

=

Для противотока:

=

=

Наиболее совершенной схемой теплопередачи является противоток, при котором имеет наивысшее значение из всех возможных схем теплопередачи при прочих равных условиях. При теплопередаче в противотоке нагреваемый поток может быть нагрет до более высокой температуры, чем конечная температура нагревающего потока. Наименьшее значение при прочих равных условиях имеет средняя разность температур при прямотоке.

2. Описание устройства и принцип работы теплообменного аппарата "труба в трубе"

Важным показателем этих процессов является коэффициент теплопередачи, величина которого при проектировании аппаратов определяет их габаритные размеры, а при эксплуатации - интенсивность процесса.

Не менее важными показателями прохождения процесса теплопередачи является также [3]:

- коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности теплопередачи (стенке) и от стенки к холодному теплоносителю;

- расходы теплоносителей;

- расход теплоты в окружающую среду.

Теплообменные аппараты для осуществления теплообмена между двумя потоками, применяемые в пищевой промышленности, весьма разнообразны по принципу действия, функциональному назначению и конструктивному оформлению.

Общий признак всех устройств - обмен теплом между двумя потоками жидкости.

По принципу действия наибольшее распространение получили рекуперативные теплообменники, где теплообмен между потоками осуществляется через разделительную стенку, выполненную из теплопроводящего материала. При работе аппарата направление движения потоков жидкости не изменяется.

По функциональному назначению наиболее часто используются:

- теплообменники, применяемые для регенерации тепла жидких и газовых потоков;

- холодильники, предназначенные для охлаждения среды хлад-агентом;

- подогреватели, применяемые для подогрева среды каким-либо теплоносителем.

По конструктивному оформлению разделительной стенки теплообменники подразделяют на две группы [4]:

- устройства с поверхностью теплообмена в виде труб;

- устройство с поверхностью теплообмена в виде листа (или листов).

Другим конструктивным признаком теплообменного аппарата является тип используемого материала для изготовления аппарата: металл, стекло, пластик, графит. В зависимости от используемого аппарата существенно изменяется конструкция аппарата.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. Эти теплообменные аппараты предназначены для комплектования различных технологических установок в широком диапазоне температур и давлений потоков жидкости.

Промышленностью изготавливаются аппараты следующих типов:

Н - с неподвижными трубными решетками;

К - с температурным компенсатором на кожухе;

П - с плавающей головкой.

При горизонтальном размещении труб в пространстве аппарат получает обозначение Г, при вертикальном - В.

Теплообменные аппараты с плавающей головкой типа ТП (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом поверхностных аппаратов. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок внутри пучка. Весь пучок свободно перемещается независимо от корпуса.

В теплообменных аппаратах типа ТП трубные пучки легко могут быть удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку и замену. Для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха в горизонтально расположенных аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой (рисунок 2).

Рисунок 2 - Теплообменный аппарат типа ТПГ:

1 - крышка камеры распределительной; 2 - прокладка камеры распределительной; 3 - камера распределительная; 4 - прокладка кожуха;

5 - кожух; 6 - труба теплообменная; 7- перегородка;

8 - полукольцо; 9 - решетка трубная подвижная; 10 - прокладка плавающей головки; - 11 - крышка плавающей головки; 12 - крышка кожуха; 13 - опора подвижная; 14 - опора неподвижная; 15 - решетка трубная неподвижная.

Установлено условное обозначение теплообменных аппаратов типа ТП. Например, теплообменник типа П, с кожухом диаметром 1000 мм, на условное давление в трубах и кожухе 40 кгс/см 2 (4,0 МПа), исполнение по материалу М 1, с теплообменными трубами диаметром 25 мм, длиной 6 м, расположенными по вершинам квадрата, двухходового по трубному пространству:

Теплообменник 1000 ТП-40-М 1-0/25-6-К ГОСТ 14246-79

Горизонтальный двухходовый теплообменный аппарат типа ТПГ включает кожух 5 и трубный пучок, состоящий из труб 6. Левая трубная решетка 15 соединена фланцевым соединением через прокладку 4 с кожухом 5 и распределительной камерой, снабженной перегородкой. Камера 3 закрыта эллиптической крышкой 1 фланцевым соединением через прокладку 2. Правая, подвижная, трубная решетка 9 установлена внутри кожуха свободно и образует совместно с крышкой 11 плавающую головку. Со стороны плавающей головки аппарат закрыт эллиптической крышкой 12, которая снабжена штуцерами для слива жидкости и выпуска газа.

Возможность разборки плавающей головки теплообменного аппарата обеспечена наличием двух симметричных полуколец 8. При разборкен аппаратов используются другие варианты конструктивного оформления узла: разрезное приспособление типа струбцины, разрезное опорное кольцо.

Аппарат располагается на вух и более опрах. Одна оаора 14 выполняется неподвижной, другая - подвижной относительно фундаментальной плиты.

В аппаратах типа ТП обеспечивается хорошая компенсация температурных деформаций. Однако возможно коробление трубной решетки при неравномерном расширении трубок в пучке. Другим преимуществом конструкции аппарата типа ТП является наличие разъемного соединения трубной решетки 15 с кожухом. После демонтажа плавающей головки становится возможным извлечение трубного пучка для выполнения очистки и ремонта.

3. Расчет теплообменника типа "труба в трубе"

Исходные данные:

d1 = 40 мм;

d2 = 42 мм;

D=58 мм;

G1=4000 кг/с;

G2=5000 кг/с;

=87 0С;

=18 0С.

=51 0С.

Определение теплофизических свойств воды.

Теплофизические свойства воды находятся по таблице, ориентируясь по средней температуре [5].

В данном случае, нам неизвестна температура греющей воды на выходе из трубы. Потери от теплообмена в окружающую среду минимальны и составляют 2 % [6].

Количество передаваемой теплоты равно:

где

- массовый расход холодного теплоносителя, кг/ч;

- теплоемкость воды,

Количество тепла с учетом потерь

Температура греющей воды у выхода из аппарата составляет:

где

- начальная температура холодного теплоносителя, 0С;

- массовый расход горячего теплоносителя, кг/ч.

Физические свойства теплоносителя воды при средней температуре



Физические свойства нагреваемой воды при средней температуре t2:

Определение режима течения жидкостей и их коэффициентов теплоотдачи.

Для определения режима течения теплоносителей определим их скорости движения [7]:

- для греющей воды w1 (м/с):

где

- массовый расход горячего теплоносителя, кг/с;

- плотность жидкости, кг/м 3;

- внутренний диаметр трубопровода, м.

- для нагреваемой воды w2 (м/с):

где

- массовый расход холодного теплоносителя, кг/ч;

- плотность жидкости, кг/м 3;

- наружный диаметр трубопровода, м.

Критерий Рейнольдса для потока греющей воды составляет:

Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся значением

Расчет числа Нуссельта Nu:

где

Reж 1 - критерий Рейнольдса для потока греющей воды;

Prж 1 - критерий Прандтля при температуре;

Pr1 - критерий Прандтля при температуре tс 1.

Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся значением:

Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы равен:

Коэффициент гидравлического сопротивления рассчитываем по формуле Блазиуса:

Критерий Re2 для нагреваемой воды:

где

= скорость движения для нагреваемой воды, м/с;

- эквивалентный диаметр для кольцевого канала, м;

- кинематическая вязкость продукта.

Эквивалентный диаметр определяется:

где

D - диаметр кольцевого зазора, м;

- наружный диаметр трубопровода, м.

Режим течения нагреваемой воды турбулентный и число Нуссельдта:

где

Re2 - критерий Рейнольдса для нагреваемой воды;

Pr2 - критерий Прандтля.

Коэффициент гидравлического сопротивления рассчитываем по формуле Блазиуса:

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой воде :

Определение теплового потока через стенку.

Коэффициент теплопередачи для аппарата

Средняя логарифмическая разность температур составляет (противоток):

При этом разность температур на входе и выходе из аппарата, °С,

???м = ?;

???м = 45-18=27 0С.

???б = ?.

???б = 87 - 51=36 0С.

Плотность теплового потока на 1 метр трубы равна:

Определение площади поверхности и числа секций водо-водяного теплообменника.

Длина труб теплообменника

Площадь поверхности нагрева F (м 2):

где

- внутренний диаметр трубопровода, м.

Число секций n:

Принимаем 5 секций.

Температуры стенки со стороны горячего и холодного теплоносителя:

Заключение

Пищевая промышленность в современное время является самой востребованной, так как задачами этой отрасли является качественное питание населения.

При стремительном развитии науки и техники все технологические процессы производства пищевых продуктов должны быть оборудованы аппаратами, отвечающими последним требованиям техники безопасности и технологии безопасного питания. пищевой тепловой продукт

Целью контрольной работы является изучение основных процессов и аппаратов, применяемых в пищевой промышленности, а также получение навыков расчета теплообменных аппаратов.

В результате работы мы изучили строение кожухотрубчатого аппарата и принцип его работы. При изучении теоретических основ тепловых процессов, используемых при производстве пищевых продуктов, мы изучили основные формулы процессов теплопередачи.

При расчете кожухотрубчатого теплообменника мы получили следующие данные:

- параметры критерия Рейнольдса, Нуссельта и Прандтля для горячего и холодного теплоносителя;

- коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы

- коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой воде :

- коэффициент теплопередачи для аппарата К;

- площадь поверхности теплообмена;

- количество секций теплообменника.

Вывод: Изучили методику расчета теплообменника и рассчитали параметры теплообмена в кожухотрубчатом теплообменнике.

Список использованных источников

1. Гнездилова, А.И. Процессы и аппараты пищевых производств: учебник и практикум для академического бакалавриата / А.И. Гнездилова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Издательство Юрайт, 2018. - 270 с.

2. Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: - "Колос", 1999 - 335 с.

3. Стабников В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 663 с.

4. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. - М., 1991.

5. ПрофТехТепловые энергетические системы. [Электронный ресурс]. Код доступа: Теплофизические свойства. Таблицы (kskz.ru)

6. Соловых С.Ю. Расчет теплопередачи в пищевой аппаратуре [текст]: методические указания к практическим занятиям/ С.Ю. Сорловых, В.П. Попов, В.П. Ханин, В.А. Малышкина. - Оренбург: РИК ГОУ ОГУ, 2005 - 30 с.

7. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. - 784 с.

Размещено на Allbest.ru

...