Розрахунок кожухотрубного теплообмінника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Теплообмінні апарати

1.1 Теплообмінні процеси в теплообмінниках

1.2 Класифікація теплообмінників, технологічне призначення

1.3 Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів

1.4 Кожухотрубні теплообмінники

2. Розрахунки теплообмінника

3. Екологічні вимоги до експлуатації апарату

4. Техніка безпеки. Вимоги до території підприємства

5. Охорона праці та протипожежні заходи

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

Нагрівання й охолодження рідин і газів належать до найпоширеніших процесів у різних галузях харчової промисловості. Залежно від температурних та інших умов ведення процесу застосовують різноманітні методи нагрівання й охолодження. Для кожного конкретного процесу доводиться вибирати технологічно та економічно найдоцільніший метод нагрівання і відповідні теплоносії.

Апарати, призначені для нагрівання й охолодження, називаються теплообмінниками. За технологічним призначенням та конструктивним оформленням такі апарати досить різноманітні.

Найважливішими задачами розрахунку теплообмінних апаратів є визначення поля температур, а також знаходження потоків теплоти, визначення площі теплообмінної поверхні, необхідної для передачі потрібної кількості, або з метою визначення температур теплоносіїв і кількості теплоти, що передається в теплообміннику заданої конструкції і поверхні теплообміну. Розрахована величина кожного з параметрів може бути реалізована різними способами конструктивного оформлення теплообмінної апаратури. Різноманітні варіанти оформлення теплообміну зазвичай виявляються нерівноцінними за багатьма показниками, тому важливий вибір оптимального варіанту.

Отже, дана курсова робота спрямована на розрахунок оптимального варіанту кожухотрубного теплообмінника, який повинен забезпечити підігрівання рідини до певної температури та з певною продуктивністю, з найменшими затратами на виготовлення теплообмінника та на його експлуатацію.

кожухотрубний теплообмінник технологічний

1. Теплообмінні апарати

1.1 Теплообмінні процеси в теплообмінниках

Теплообмінними апаратами, чи теплообмінниками, називаються апарати для передачі теплоти від більш нагрітого теплоносія до менш нагрітого через стінку. Теплообмін застосовується на підприємствах харчової промисловості для нагрівання або охолодження різних середовищ при проведені технологічних процесів.

Розглянемо деякі типові випадки теплообміну в різних теплообмінниках:

а) теплообмін у сорочкових теплообмінниках. З боку нагріваючих чи охолоджуючих продуктів

- вільна конвекція чи примусове перемішування мішалкою; з боку робочого середовища, що знаходиться в сорочці,

- конденсація на вертикальній і сферичній поверхнях при паровому обігріві, обтікання циліндра і сфери при рідкому середовищі і рух рідини у вузьких каналах;

б) теплообмін у кожухотрубних теплообмінниках. У трубному просторі - тепловіддача при змушеному перехідному, ламінарному чи турбулентному режимі, у між трубному просторі при паровому обігріві - конденсація на вертикальній поверхні чи зовні горизонтальних труб, при рідинному обігріві чи охолодженні поздовжнє, поперечне чи змішане обтікання пучка труб (у залежності від системи між трубних перегородок)

в) теплообмін у заглибних теплообмінниках. В середині труб при паровому обігріві - конденсація, при рідкому середовищі - змушений рух у різних режимах з підвищенням інтенсивності тепловіддачі в змійовиках за рахунок поворотів потоку. Ззовні труб - як правило вільна конвекція, при наявності мішалок - змушене обтікання труб.



1.2 Класифікація теплообмінників, технологічне призначення

Технологічне призначення теплообмінників різноманітне. Як правило, розрізняють:

теплообмінники, у яких передача тепла є основним процесом,

реактори, у яких тепловий процес відіграє допоміжну роль Класифікація теплообмінників можлива за різними ознаками: 1.3а способом передачі тепла розрізняються теплообмінники: - змішування, у яких робітничі середовища безпосередньо стикаються або перемішуються,

- поверхневі теплообмінники - рекуперативні, в яких один бік поверхні теплообміну весь час омиває гарячий теплоносій, а другий - холодний; регенеративні, в який одна і та сама поверхня теплообміну поперемінно омивається то одним, то другим теплоносієм.

2. 3а призначенням:

- випарні;

- холодильники;

- конденсатори.

3. За видом теплоносіїв залежно від агрегатного стану:

-рідинно-рідинні - при теплообміні між двома рідкими середовищами;

-паро-рідинні - при теплообмінні між парою і рідиною (парові підігрівники, конденсатори);

- газо-рідинні - при теплообмінні між газом і рідиною (холодильники для повітря);

- газо-газові - при теплообмінні між газовими середовищами;

- паро-газові - при теплообмінні між парою та газом.

4.3а тепловим режимом розрізняють теплообмінники:

періодичної дії, у яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес, безперервної дії - зі сталим у часі процесом.

У теплообмінниках періодичної дії тепловій обробці піддається окрема порція (завантаженого) продукту і його кількості параметри процесу безперервно варіюють, у робочому режимі апарата в часі.

При безперервному процесі параметри його також змінюються, але уздовж проточної частини апарата, замикаючись постійним в часі в даному перерізі потоку. Безперервний процес характеризується сталістю теплового режиму і витрати робочого середовища, що протікають через теплообмінник.

Усі теплообмінні апарати поверхневого типу можна класифікувати залежно від напрямку потоків теплоносіїв:

-прямотечійні, коли обидва теплоносії рухаються паралельно в одному напрямку;

- протитечійні, коли обидва теплоносії рухаються в протилежних напрямках назустріч один одному;

- з перехресною течією теплоносії рухаються взаємно

перпендикулярно;

із складнішими схемами різного поєднання прямотечії, протитечії і перехресної течії.

Як теплоносій найбільш широко застосовується насичена чи злегка перегріта водяна пара. У змішувальних апаратах, пар , як правило, барботують у рідину (впускають під рівень рідини), при цьому конденсат пари змішується з продуктом, що не завжди припустимо. У поверхневих апаратах пар конденсується на поверхні нагрівання і конденсат віддаляється окремо від продукту за допомогою водовідвідників. Водяна пара, як теплоносій, має безліч переваг: легкість транспортування по трубах, регулювання температури, високою інтенсивністю тепловіддачі та ін. Застосування пари особливо вигідно при використанні, коли з продукту вода направляється у вигляді пари, що гріє інші випарні апарати і підігрівники.

Обігрів гарячою водою і рідинами також має широке застосування і вигідне при вторинному використанні. Тепло конденсатів і рідини, що по ходу технологічного процесу нагріваються до високої температури. У порівнянні з паром, рідинний підігрів менш інтенсивний. Однак регулювання процесу і транспорт рідини так само зручний, як і при паровому обігріві.

Загальним недоліком парового і водяного обігріву є швидкий ріст тиску з підвищенням температури. В умовах технологічної апаратури харчових виробництв при паровому і водяному обігріві найвищі температури обмежені 150-160°С, що відповідає тиску 0.5-0.7 МПа.

В окремих випадках (у консервній промисловості) застосовується масляний обігрів, що дозволяє при атмосферному тиску досягти температур до 200 С у печах, сушильних установах. Газовий обігрів має велику кількість недоліків: труднощі регулювання і транспортування теплоносія, малою інтенсивністю теплообміну, забрудненням поверхні апаратури (при використанні топкових газів) і ін. Однак у ряді випадків він є єдино можливим (наприклад, у повітряних сушарках).

У холодильній техніці використовуються ряд холодоагентів: повітря, вода, розсоли, аміак, вуглекислота, фреон та ін.

При будь-якому використанні теплоносіїв і холодоагентів, теплові і масообміні процеси підлеглі в основному технологічному процесу виробництва, заради якого створюється теплообмінні апарати й установки. Тому рішення задач оптимізації теплообміну підлеглі умовам раціонального технологічного процесу.

Для нагрівання та охолодження рідких середовищ розроблені теплообмінники різноманітних конструкцій. Одним з них є кожухотрубний теплообмінник, конструкція якого розглядається в даній курсовій роботі. Такі теплообмінники широко застосовуються в харчовій промисловості.

1.3 Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів

Конкретна задача нагрівання и охолодження даного продукту може бути вирішена за допомогою різних теплообмінників. Конструкцію теплообмінника варто вибирати, виходячи з наступних основних вимог, пропонованих до теплообмінних апаратів.

Найважливішою вимогою є відповідність апарата технологічному процесу обробки даного продукту, це досягається за таких умов:

підтримка необхідної температури процесу,

забезпечення можливості регулювання температурного режиму,

відповідність робочих швидкостей продукту мінімально необхідної тривалості перебування продукту в апараті,

вибір матеріалу апарата відповідно до хімічних властивостей продукту,

відповідність апарата тискам робочих середовищ.

Другою вимогою є висока ефективність (продуктивність) і економічність роботи апарата, зв'язані з підвищенням інтенсивності теплообміну й одночасно з дотриманням оптимальних гідравлічних опорів апарата. Ці вимоги звичайно виконуються при дотриманні наступних умов:

достатні швидкості однофазних робочих середовищ для здійснення турбулентного режиму,

сприятливий відносний рух робітничих середовищ (звичайно краще протиток);

забезпечення оптимальних умов для відводу конденсату і газів, що не конденсуються (при паровому обігріві);

поверхні нагрівання;

запобігання можливості забруднення і легке чищення поверхні нагрівання, мікробіологічна чистота й ін.

Істотними вимогами є також компактність, мала маса, простота конструкцій, зручність монтажу і ремонту апарата. З цього погляду мають вплив наступні фактори: конфігурація поверхні нагрівання, спосіб розміщення і кріплення трубок у трубних ґратах, наявність і тип перегородок, ущільнень, пристрій камер, коробка, днищ; габаритні розміри апарата й ін.

Ряд факторів визначає надійність роботи апарата та зручність його експлуатації: компенсація температурних деформацій, міцність, і щільність роз'ємних з'єднань, доступ для огляду і чищення, зручність контролю за роботою апарата, зручність з'єднання апарата з трубопроводами і т.д.

Ці основні вимоги повинні бути покладені в основу конструювання і вибору теплообмінних апаратів. При цьому найбільше значення має забезпечення заданого технологічного процесу в апараті.

1.4 Кожухотрубні теплообмінники

Кожухотрубні теплообмінники. Вони найпоширеніші в харчовій промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні й надійні в експлуатації.

Нагрівання гарячою парою має широке використання і корисний при вторинному використанню тепла конденсатора і рідин ( продукту) який по ходу технологічного процесу нагрівається до високої температури.

Недоліком водяного нагрівання являється швидкий ріст тиску з підвищенням температури.

Багатотрубні теплообмінники представляють собою пучок трубок, розміщених в циліндричну камеру (кожух), таким чином внутрішня камера являє собою між трубний простір. Трубки розміщенні в трубній решітці, обмежуючи камеру з обох сторін. До трубної решітки кріпляться коробки з патрубками для впуску робочої рідини, що протікає всередині трубок.

Камера також має патрубки для підводу і відводу другого робочого тіла. Патрубки використовують при теплообмінні міх рідкими середовищами.

Трубні решітки можуть бути наглухо приварені або прикріплені до корпусу, одна з решіток може бути не з'єднана з камерою. В цьому випадку щільність досягають за допомогою резинових кілець, які закривають отвір між корпусом та решіткою. Такий спосіб кріплення забезпечує вільне збільшення трубочок при їх нагріванні і захищає від порушення кріплень трубок в решітці.

Кожухотрубний теплообмінник зазвичай стальний, циліндричний. Інколи для забезпечення вільного температурного розширення кожуха і трубочок на кожусі встановлюють компенсатор.

Покрашення трубчастих теплообмінників досягається в першу чергу шляхом групування трубок в окремі пучки (ходи), для цього в розпреділинних коробочках розміщають перегородки. Такий теплообмінник називається багатоходовим. Робоча рідина проходить через трубний простір в декілька ходів, протікає почергово через всі пучки трубок. При цьому швидкість рідини при даному використанні рухається з заданим рухом, то в результаті збільшується коефіцієнт теплопередачі.

Поперечні перегородки ділять між трубний простір на стільки ж ходів, скільки є трубного простору та забезпечує принцип протитечії робочого тіла.

Перегородки розміщуються паралельно трубкам і не доторкаються протилежної трубної решітки. Велика число перегородок не рекомендується через труднощі ущільнення стиків перегородки з решітками.

Поперечні перегородки бувають перекриваючі і не перекриваючі. Перекриваючі перегородки пересікають весь між трубний простір, залишаючи навколо кожної трубки кільце шириною біля 2 мм. відстань між перегородками - біля 100 мм. Робоче тіло протікає мимо труб з великою швидкістю; в в проміжках між перегородками утворюють завихри, для того щоб збільшити коефіцієнт теплопередачі.

Трубчаті теплообмінники виготовляють двох типів - горизонтальні та вертикальні, які відрізняються між собою лише незначними деталями (розміщення патрубків та опор). Горизонтально трубчастий менш вигідний через те що займає більшу площу і не зручно розміщувати на балках перекриття.

При установленні теплообмінників потрібно звертати увагу на напрямок руху робочого тіла. Гаряча ( охолоджуюча) рідина повинна опускатися (подача з верху), а холодна - піднімається, тоді примусовий рух співпадає з дійсним.

Одноходовий краще розмішувати вертикально, багатоходовий - горизонтально так як деяких ходах вільний рух не співпадає з примусовим, що впливає на теплообмін в вертикальних теплообмінниках. Горизонтальне розміщення декількох послідовно з'єднаних рідких теплообмінників більш раціональне, оскільки більш вигідніше з'єднуватись з комунікаціями. у випадку їх частої чистки трубок багатоходові теплообмінники краще розміщувати вертикально.

2. Розрахунки

Вихідні дані

Для розрахунку береться кожухотрубний теплообмінний апарат. Дифузійний сік, який треба нагріти, подається в труби, а гарячий теплоносій - в міжтрубний простір. Апарат розташований горизонтально. Рух продукту і теплоносія протитечійний. Продукт нагрівається вторинною парою після 2 корпуса випарної установки.

- р_пари =0,3 мПа;

- продукт, що нагрівається - дифузійний сік ( в подальшому продукт), гарячий теплоносій -пара;

- продуктивність апарату G = 10000 кг/год = 2,77кг/с;

- температура продукту на вході в апарат t₁ =20⁰C; на виході t₂= 120 ⁰C;

- втрати тепла складають х= 5%;

- висота трубок Н= 4 м, внутрішній діаметр трубки d_в= 0,03м, товщина стінки д_ст = 0,0015м, зовнішній діаметр трубки d_з = 0,033м;

- СР=533% ;

- коефіцієнт корисної дії насосу з = 0,8

- коефіцієнт теплопровідності для сталі л_ст = 17,5 Вт/м*К.

- температура гріючої пари tпари = 150⁰C

Інші дані приймаємо далі самостійно по ходу розрахунку.

Тепловий розрахунок теплообмінника при швидкості 0,5 м/с

Початкова температура продукту t₁= 20 ⁰C

Кінцева температура продукту t₂= 120 ⁰C

Тиск гріючої пари 0,3 мПа

Температура гріючої пари t_п=150 ⁰C

Обчислюємо середню різницю температур теплоносія і продукту:

Д t_б= t_п- t₁ = 150-20 = 130 ⁰C

Д t_м= t_п- t₂ = 150-120 = 30 ⁰C

Д t_б/ Д t_м = 130/30 = 4,3 > 2

Д t_с= Д t_б- Д t_м / ln (Д t_б/ Д t_м) = 130-30/ln(130/30) =68,96 ⁰C

Обчислюємо середню температуру продукту:

t_с= t_п - Д t_с = 150- 68,96 = 81,04 ⁰C

При середній температурі t_с теплофізичні параметри томатного соку визначаємо за допомогою таблиць:

л_р= 0,584 Вт/(м*К) с_р=1021,4 кг/м³

м_р=0,00046004 Па*с С_р=4020Дж/(кг*К)

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, Дж/с або Вт:

Q=x*G*C*(t₂- t₁)

де х- коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище, (х=1,02…1,05); G- витрати рідини, кг/с; С-теплоємність рідини, Дж/(кг*К).

x=1,05;

G=10000 кг/год=2,77кг/c.

Q=1,05*2,77*4020*(120-20)= 1169,22 Вт=1,2 кВт

Витрата пари, кг/с:

D=Q/I-i

І - ентальпія нагріваючої пари, і - ентальпія конденсату.

і=С* t_к=4020*(150-3)=591,23 Дж/кг

де t_к - температура конденсату, t_к = t_п - (2…3) ⁰C

D=233,84/2680-591,23 =0,11 кг/с

Розрахунок коефіцієнта теплопередачі при швидкості 0,5 м/с

Розрахуємо загальний коефіцієнт теплопередачі за формулою:

К_о=1/((1/б₁)+(д/л_ст)+(1/ б₂))

Приймаємо швидкість руху рідини щ=0,5 м/с

Приймаємо діаметр теплообмінника d_вн=0,03 м

Розрахуємо критерій Рейнольдса:

Re= (щ* d_вн *с)/м=0,5*0,03*1021,4/0,00046004=33304

Розрахуємо критерій Нусельта:

Nu=0,021* Re^0,8*Pr^0,43 *(Pr/Pr_ст) ^0,25

Pr= (м*с)/ л

Pr=(0,00046004*4022)/0.584=3,17

Відношення (Pr/Pr_ст) ^0,25 приймемо за 1.

Nu=0,021*33304^0,8*3,17^0,43*1=143,11

За знайденою величиною Нусельта визначається:

б₂= Nu*л/d_вн=143,11*0,584/0,03= 2785,87 Вт/(м²*К)

Розрахункове рівняння для обчислення б₁:

б₁=2,04*А*

Де А-розрахунковий коефіцієнт, який залежить від фізичних властивостей конденсату; r - теплота конденсації; Н - довжина трубки; Дt1- різниця температур, t_р- t_ст1, t_р- температура пари, t_ст1- температура стінки, на якій конденсується пара;

Приймаємо t_ст1= t_р-(5…10)-150-5=145⁰С

r визначаємо за довідником: r=2248кДж/кг

Н=1…4, Н=4 м

Дt1₌ t_р- t_ст1=150-145=5⁰С

t_пл= (t_р+ t_ст1)/2=(150+145)/2=147,5⁰С

значення А залежно від температури плівки конденсату t_пл такі:

А=195,125

б₁=2,04*195,125*=7288,44 Вт/(м²*К)

Задану температуру перевіряють за рівнянням:

t_ст1= t_п-(К/б₁)* Дt_с

товщину стінки приймаємо д=0,0015

матеріал приймаємо нержавіючу сталь, теплопровідність якої 17,5 Вт/(м*К)

К₀=1/((1/7288,44)+(0,0015/17,5)+(1/2785,87))=738,98 Вт/(м²*К)

Коефіцієнт використання поверхні нагріву ц=0,8

К=К₀*ц=1718,6*0,8=591,19 Вт/(м*К)

Перевіряємо задану температуру:

t_ст1= 150-(1374,87/7288,44)*68,96=144,4

задана і розрахункова температури не відрізняються більше ніж на 1 градус, отже розрахунки зроблено вірно.

Визначимо площу поверхні теплообмінника за формулою:

F= Q/(K*Дt_c)= 1169,22 /(591,19*68,96)=79,11 м²

Конструктивний розрахунок теплообмінника (перша частина)

Площа прохідного перерізу одного ходу:

ѓ₁= G/(с*щ)=2,77/(1021,4*0.5)=0,005 м²

Число трубок одного ходу:

n₁= ѓ₁/(0.785*d²_в)=0,005/(0,785*0,03²)= ?7 трубок

Загальна довжина труби:



L=F/(р* d_р* n₁)= 79,11 /(3,14*0,03*7)=119,97 м

б₁ >б₂ , d_р= d_вн

Кількість ходів трубного простору:

Z=L/I₁=119,97/4=30 ходів

Де І₁ робоча довжина трубок, яку приймають не більше 4 м

Загальна кількість трубок:

n=z* n₁=30*7=210 трубки

Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Потужність, потрібну для переміщення теплоносія через апарат, визначають за допомогою рівнянням, Вт:

N=(V* Дp)/ з

Де з= ККД насоса, приймаємо рівним 0,8

V- об'ємні витрати рідини,

V= G / с=2,77/1021,4=0,0027 м³/с

Гідравлічний опір апарата складається з опору тертя і місцевих опорів.

Отже, повний гідравлічний опір визначається за формулою:

Дp= Дp_тер+ Дp_м =(л*L/ d_в+?о)*((щ²*с)/2)

Де л- коефіцієнт гідравлічного тертя

L- загальна довжина труби,м

л=0,11*(Д/d)^0,25,

де Д- абсолютна шорсткість; Д=0,06 мм

л =0,11*(0,00006/0,03)^0,25 =0,023

значення суми коефіцієнтів місцевих опорів:

?о= 5+2,5*( z-1)= 5+2,5*(30-1)=77,5

z- кількість ходів

Дp=(0,023*210/0,03+77,5)*((0,5²*1021,4)/2)=21638,25 Па

N=0,0027*21638,25/0,8=73,35 Вт=0,07кВт

Техніко - економічний розрахунок теплообмінника

К_? = К_а + К_є

_де К_?- загальні витрати, грн/рік

К _є - Експлуатаційні витрати , грн/рік

К_а- амортизаційні витрати, грн/рік

К_а= F*C_F*a

C_F- вартість 1 м² поверхні теплообміну C_F=1500 грн/м²

а- річна доля амортизаційних відрахувань, % а=0,08

F- поверхня теплообміну ,м²

К_а = 79,11*1500*0,08=9493,2 грн/рік

К _є = N*C_є*ф

N- потужність електродвигуна насоса, КВт

C_є- вартість 1 КВт/год електроенергії C_є=0,15 грн

ф- кількість годин роботи теплообмінника ф=7420 год

К _є = 0,07*0,15*7420=8164 грн/рік

К_? = 9493,2+111,3==9135/рік

Розрахунок коефіцієнта теплопередачі при швидкості 1 м/с

Розрахуємо загальний коефіцієнт теплопередачі за формулою:

К_о=1/((1/б₁)+(д/л_ст)+(1/ б₂))

Приймаємо швидкість руху рідини щ=1 м/с

Приймаємо діаметр теплообмінника d_вн=0,03 м

Розрахуємо критерій Рейнольдса:

Re= (щ* d_вн *с)/м=1*0,03*1021,4/0,00046004=66607

Розрахуємо критерій Нусельта:

Nu=0,021* Re^0,8*Pr^0,43 *(Pr/Pr_ст) ^0,25

Pr= (м*с)/ л

Pr=(0,00046004*4020)/0.584=3.17

Відношення (Pr/Pr_ст) ^0,25 приймемо за 1.

Nu=0,021*66607^0,8*3,17^0,43*1=249,17



За знайденою величиною Нусельта визначається:

б₂= Nu*л/d_вн=249,17*0,584/0,03= 4580,4 Вт/(м²*К)

Розрахункове рівняння для обчислення б₁:

б₁=2,04*А*

Де А-розрахунковий коефіцієнт, який залежить від фізичних властивостей конденсату; r - теплота конденсації; Н - довжина трубки; Дt1- різниця температур, t_р- t_ст1, t_р- температура пари, t_ст1- температура стінки, на якій конденсується пара;

Приймаємо

t_ст1= t_р-(5…10)-150-5=145⁰С

r визначаємо за довідником:

r=2248кДж/кг

Н=1…4, Н=4 м

Дt1₌ t_р- t_ст1=150-145=5⁰С

t_пл= (t_р+ t_ст1)/2=(145+150)/2=147,5⁰С

значення А залежно від температури конденсату t_пл такі:

А=195,125

б₁=2,04*195,125*=7293,1 Вт/(м²*К)

Задану температуру перевіряють за рівнянням:

t_ст1= t_п-(К/б₁)* Дt_с

товщину стінки приймаємо д=0,0015

матеріал приймаємо нержавіючу сталь, теплопровідність якої 17,5 Вт/(м*К)

К₀=1/((1/7293,1)+(0,0015/17,5)+(1/4580,4))=833,04 Вт/(м²*К)

Коефіцієнт використання поверхні нагріву ц=0,8

К=К₀*ц=833,04*0,8=666,43 Вт/(м*К)

Перевіряємо задану температуру:

t_ст1= 150-(666,43/7293,1)*68,96=144

задана і розрахункова температури не відрізняють більше ніж на 1 градус, отже розрахунки зроблено вірно.

Визначимо площу поверхні теплообмінника за формулою:

F= Q/(K*Дt_c)= 1169,22 /(666,43*68,96)=70,2 м²

Конструктивний розрахунок теплообмінника (перша частина)

Площа прохідного перерізу одного ходу:

ѓ₁= G/(с*щ)=2,77/(1021,1*1)=0,0027 м²

Число трубок одного ходу:

n₁= ѓ₁/(0.785*d²_в)=0,0027/(0,785*0,03²)=3,89?4трубки

Загальна довжина труби:

L=F/(р* d_р* n₁)=70,2/(3,14*0,03*4)=186,31 м

б₁ >б₂ , d_р= d_вн

Кількість ходів трубного простору:

Z=L/I₁=186,31/4=47 ходів

Де І₁ робоча довжина трубок, яку приймають не більше 4 м

Загальна кількість трубок:

n=z* n₁=47*4=188 трубок

Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Потужність, потрібну для переміщування теплоносія через апарат, визначають за допомогою рівнянням, Вт:

N=(V* Дp)/ з

Де з= ККД насоса, приймаємо рівним 0,8

V- об'ємні витрати рідини,

V= G / с=2,77/1021,4=0,0027 м³/с

Гідравлічний опір апарата складається з опору тертя і місцевих опорів.

Отже, повний гідравлічний опір визначається за формулою:



Дp= Дp_тер+ Дp_м =(л*L/ d_в+?о)*((щ²*с)/2)

Де л- коефіцієнт гідравлічного тертя

L- загальна довжина труби,м

л=0,11*(Д/d)^0,25

де Д- абсолютна шорсткість;

Д=0,06 мм

л =0,11*(0,00006/0,03)^0,25 =0,023

значення суми коефіцієнтів місцевих опорів:

?о= 5+2,5*( z-1)= 5+2,5*( 47-1)=120

z- кількість ходів

Дp=(0,023*186,31/0,03+120)*(1²*1021,4/2)=2163,82 Па

N=0,0027*2163,82/0,8=53,25 Вт = 0,05 кВт

Техніко економічний розрахунок теплообмінника

К_? = К_а + К_є

_де К_?- загальні витрати, грн/рік

К _є - Експлуатаційні витрати , грн/рік

К_а- амортизаційні витрати, грн/рік



К_а= F*C_F*a

C_F- вартість 1 м² поверхні теплообміну C_F=1500 грн/м²

а- річна доля амортизаційних відрахувань, % а=0,08

F- поверхня теплообміну ,м²

К_а = 70,2*1500*0,08=8421,3 грн/рік

К _є = N*C_є*ф

N- потужність електродвигуна насоса, КВт

C_є- вартість 1 КВт/год електроенергії C_є=0,15 грн

ф- кількість годин роботи теплообмінника ф=7420 год

К _є = 0,05*0,15*7420=55,65 грн/рік

К_? =8421,3+55,65==8477 грн/рік

Розрахунок теплообмінника при швидкості 1,5 м/с

Розрахуємо загальний коефіцієнт теплопередачі за формулою:

К_о=1/((1/б₁)+(д/л_ст)+(1/ б₂))

Приймаємо швидкість руху рідини щ=1,5 м/с

Приймаємо діаметр теплообмінника d_вн=0,03 м

Розрахуємо критерій Рейнольдса:

Re= (щ* d_вн *с)/м=1,5*0,03*1021,4/0,00046004=999109

Розрахуємо критерій Нусельта:

Nu=0,021* Re^0,8*Pr^0,43 *(Pr/Pr_ст) ^0,25

Pr= (м*с)/ л

Pr=(0,00046004*4020)/0.584=3.17

Відношення (Pr/Pr_ст) ^0,25 приймемо за 1.

Nu=0,021*999109^0,8*3,17^0,43*1=344,6

За знайденою величиною Нусельта визначається:

б₂= Nu*л/d_вн=344,6*0,584/0,03=6709 Вт/(м²*К)

Розрахункове рівняння для обчислення б₁:

б₁=2,04*А*

Де А-розрахунковий коефіцієнт, який залежить від фізичних властивостей конденсату; r - теплота конденсації; Н - довжина трубки; Дt1- різниця температур, t_р- t_ст1, t_р- температура пари, t_ст1- температура стінки, на якій конденсується пара;

Приймаємо

t_ст1= t_р-(5…10)-150-5=145⁰С

r визначаємо за довідником: r=2248кДж/кг

Н=1…4, Н=4 м

Дt1₌ t_р- t_ст1=150-145=5⁰С

t_пл= (t_р+ t_ст1)/2=(150+145)/2=147,5⁰С

значення А залежно від температури конденсату t_пл такі:

А=195,125

б₁=2,04*195,125*=7288,4 Вт/(м²*К)

Задану температуру перевіряють за рівнянням:

t_ст1= t_п-(К/б₁)* Дt_с

товщину стінки приймаємо д=0,0015

матеріал приймаємо нержавіючу сталь, теплопровідність якої 17,5 Вт/(м*К)

К₀=1/((1/7288,4)+(0,0015/17,5)+(1/6709))=874,58 Вт/(м²*К)

Коефіцієнт використання поверхні нагріву ц=0,8

К=К₀*ц=874,58*0,8=699,67 Вт/(м*К)

Перевіряємо задану температуру:

t_ст1= 150-(699,67/7288,4)*68,96=143,4

задана і розрахункова температури не відрізняють більше ніж на 1 градус, отже розрахунки зроблено вірно.

Визначимо площу поверхні теплообмінника за формулою:

F= Q/(K*Дt_c)= 1169,22 /(699,67*68,96)=66,84 м²



Конструктивний розрахунок теплообмінника

Площа прохідного перерізу одного ходу:

ѓ₁= G/(с*щ)=2,77/(1021,4*1,5)=0,018 м²

Число трубок одного ходу:

n₁= ѓ₁/(0.785*d²_в)=0,018/(0,785*0,03²)=25,7?26 трубок

Загальна довжина труби:

L=F/(р* d_р* n₁)=66,84/(3,14*0,033*26)=24,8 м

б₁ <б₂ , d_р= d_з=0,033 м

Кількість ходів трубного простору:

Z=L/I₁=24,8/4=6 ходів

Де І₁ робоча довжина трубок, яку приймають не більше 4 м

Загальна кількість трубок:

n=z* n₁=6*26=156 трубок

Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Потужність, потрібну для переміщування теплоносія через апарат, Вт, визначають за допомогою рівнянням:

N=(V* Дp)/ з

Де з= ККД насоса, приймаємо рівним 0,8, V- об'ємні витрати рідини,

V= G / с=2,77/1021,4=0,0027 м³/с

Гідравлічний опір апарата складається з опору тертя і місцевих опорів.

Отже, повний гідравлічний опір визначається за формулою:

Дp= Дp_тер+ Дp_м =(л*L/ d_в+?о)*((щ²*с)/2)

Де л- коефіцієнт гідравлічного тертя

L- загальна довжина труби,м

л=0,11*(Д/d)^0,25 ,

Д=0,06 мм

л =0,11*(0,00006/0,03)^0,25 =0,023

значення суми коефіцієнтів місцевих опорів:

?о= 5+2,5*( z-1)= 5+2,5*( 6-1)=17,5

z- кількість ходів

Дp=(0,023*24,8/0,03+17,5)*(1,5²*1021,4/2)=23600 Па

N=0,0027*23600/0,8=80 Вт=0,08кВт

Техніко економічний розрахунок теплообмінника

К? = Ка + Кє

_де К_?- загальні витрати, грн/рік

К _є - Експлуатаційні витрати , грн/рік

К_а- амортизаційні витрати, грн/рік

К_а= F*C_F*a

C_F- вартість 1 м² поверхні теплообміну C_F=1500 грн/м²

а- річна доля амортизаційних відрахувань, % а=0,08

F- поверхня теплообміну ,м²

К_а = 66,84*1500*0,08=8021,2 грн/рік

К _є = N*C_є*ф

N- потужність електродвигуна насоса, КВт

C_є- вартість 1 КВт/год електроенергії C_є=0,15 грн

ф- кількість годин роботи теплообмінника ф=7420 год

К _є = 0,08*0,15*7420=89 грн/рік

К_? =8021,2 +89 =8110,3 грн/рік

Конструктивний розрахунок теплообмінника (друга частина)

Розраховується при оптимальній швидкості w=1,0 м/с

Площа прохідного перерізу одного ходу:

ѓ₁= G/(с*щ)=2,77/(1021,4*1)=0,0027 м²

Число трубок одного ходу:

n₁= ѓ₁/(0.785*d²_в)=0,0027/(0,785*0,03²)=3,85?4 трубки

Загальна довжина труби:

L=F/(р* d_р* n₁)=66,84(3,14*0,03*27)=17* м

б₁ >б₂ , d_р= d_вн

Кількість ходів трубного простору:

Z=L/I₁=5,95/4=1,48?1 хід

Де І₁ робоча довжина трубок, яку приймають не більше 4 м

Загальна кількість трубок:

n=z* n₁=1*4=4 трубки

Приймаємо а=8, тоді кількість трубок обраховуємо за формулою:

nр=3*а*(а-1) +1=3*8*(8-1)+1=169 трубок

Кількість трубок, розміщених по діагоналі найбільшого шестикутника, знаходять за формулою:

b=2*a-1=2*8-1=15

При закріпленні труб у трубних решітках розвальцьовуванням крок t розміщення труб вибирають залежно від їхнього зовнішнього діаметра:

t= (1,3…1,5)* d_з=1,5*0,033=0,0495 м=0,05м=50мм

Діаметр трубної решітки визначають із співвідношення

D_реш=1,13* t *=1,13* 50 *=764мм

Діаметр трубної решітки округлюємо до стандартного значення D_реш= 800мм

Відстань між сусідніми стінками труб S=(7…13)мм

Приймаємо S=10мм

Внутрішній діаметр корпуса

D_в= t*(b-1)+4d_вн

D_в=50*(15-1)+4*33=700+132=832 мм

Заокруглюємо: D_в=800 мм

Живий перетин міжтрубного простору:

f_мп=(р/4)*( D_в²- nр* d_вн²)=(3,14/4)*(0,8²-169*0,033²)=0,36 м²

За формулами визначаємо розміри патрубків. Використовуємо таблицю:

Середовище	щ, м/с	с,кг/м3	G,кг/с
Пара	20	1,12	0,81
Диф.сік	1	Вхід 1031,4 Вихід 1021,4	19,44
Конденсат	0,2	958	0,81

Діаметр патрубка для входу продукту, який нагрівається

d_прод =1,13*=1,13*=0,16 м=160 мм

Діаметр патрубка для виходу продукту, який нагрівається

d_прод =1,13*=1,13*=0,16 м=160 мм

Діаметр патрубка для входу гріючої пари

d_пари =1,13*=1,13*=0,53 м=530 мм

Діаметр патрубка для виходу конденсату

d_конд =1,13*=1,13*=0,13 м=130 мм

Розрахунок теплової ізоляції

Теплова ізоляція один з основних факторів зменшення втрат теплоти та економії палива. З точки зору охорон праці і техніки безпеки теплова ізоляція слугує ефективним засобом для зниження температури в приміщенні та передбачає захист обслуговуючого персоналу.

л - теплопровідність ізоляційного матеріалу, Вт(м*К), л=0,08(совеліт);

t_a - температура в апараті, град;

t_i - температура на поверхні ізоляції, град;

t_n - температура повітря, що оточує апарат, град;

б - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря,

Вт(м²*К)

t_a = 103⁰С, t_i =45С, t_n = 20⁰С

??=9.76+0.07*(45-20)=11,51 Вт(м²*К)

д= 0,08* (103-45)/11,51*(45-20)=0,016 м

3. Екологічні вимоги до експлуатації апарату

Виробництво, яке проектується, будується або реконструюється повинно бути науково обґрунтованим у відношенні якості оточуючого природного середовища та екологічної безпеки. Підприємство обов'язково повинно вести господарську діяльність у відповідності з законами України: « Охорона оточуючого середовища» та « екологічна експертиза », а також з іншими законодавчими актами України та галузевими нормативними документами. Забороняється будь-яке порушення екологічних стандартів, приховування екологічної інформації. Підприємства повинні забезпечувати екологічну безпеку на основі комплексу таких заходів.

1. всебічної екологічно-економічної оцінки впливу підприємства на оточуючі середовища, на використання і поновлення природних резервів, здоров'я населення.

2. науково-обгрунтовані впровадження сучасних досконалих не енергоємних технологічних процесів, які передбачають раціональне використання природніх ресурсів.

3. економія водних ресурсів, очистка вод.

4. забезпечення охорони рослинного та тваринного світу та ін.

4. Техніка безпеки. Вимоги до території підприємства

Створення здорових і безпечних умов праці починається з правильного вибору території для розміщення підприємства та раціонального розташування на цій території виробничих і допоміжних будівель і споруд.

Особливо важливо передбачити вимоги до чистоти повітря в місцях, що прилягають до харчових та переробних підприємств, які мають великі об'ємі газопилових викидів у повітря. Планування будівель і споруд на території підприємств, належна їх вогнестійкість, наявність достатньої кількості протипожежних ровів і перепон, забезпечення безпечної евакуації людей, наявність інших допоміжних пристроїв рекомендуються відповідно до вимог санітарних норм СН245-71, СНиШ.01.02-85, СНиП2.10.05-85 і СНиПП-89-80. Територія підприємства повинна бути рівною, мати каналізацію, штучне освітлення, належне покриття транспортних шляхів і достатньо широкі проходи і проїзди.

Основні шляхи руху працівників, як правило, не перетинаються із залізничною колією або з іншим механізованим транспортом.

5. Охорона праці та протипожежні заходи

В України розробляються державні стандарти України (ДСТУ). В галузі охорони праці вже діють такі стандарти: ДСТУ 2293-99 «Охорона праці. Терміни та визначення основних понять»; ДСТУ 2272-93 «Пожежна безпека. Терміни та визначення»; ДСТУ 3038-95 «Гігієна. Терміни та визначення основних понять» та деякі інші.

Відповідно до цих нормативних актів у кожному цеху та відділені

харчових виробництв є конкретні правила та інструкції щодо охорони праці, техніки безпеки, санітарних вимог до промислових приміщень й обладнання, а також протипожежних заходів.

Для створення безпечних умов праці всі частини обладнання, що мають гарячу поверхню - термоізолюють. Машини і апарати повинні мати механічне та електричне блокування, бути заземлені, а також обладнані сигналізацією, яка при пуску і зупинці машини автоматично приводиться у дію.

Особливу увагу слід приділяти охороні ізоляції електромережі від руйнування та вологи. На цих ділянках дозволяється користуватися лише низьковольтною напругою.

Теплообмінники належать до обладнання, що працює під тиском. їх головна небезпека при експлуатації заклечається в можливому раптовому руйнуванні, що супроводжується вибухом, при якому потенційна енергія стисненого середовища в короткий проміжок часу за рахунок його адіабатичного розширення переходить в кінетичну енергію осколків зруйнованого обладнання, що розлітаються, тому особливу увагу слід приділяти протипожежній безпеці. Головними причинами аварії цих апаратів є дефекти виготовлення, корозійне руйнування та інші види пошкоджень, порушення технологічного режиму і правил експлуатації, несправність арматури і приборів. З ціллю попередження аварії правила устрою та експлуатації ємкостей, що працюють під тиском, визначають, щоб матеріли призначені для їх виготовлення і ремонту мали сертифікати, що підтверджують їх відповідність призначенню і спеціальним технічним умовам. Конструкція ємностей повинна бути надійною, забезпечувати надійність при експлуатації, можливість їх внутрішнього огляду, очистки і ремонту. Зварні шви повинні бути тільки стиковими і доступними для контролю при виготовленні, монтажі і експлуатації ємкості.

Для попередження аварій через порушення технологічного режиму і правил експлуатації, крім допуску до обслуговування спеціально навченого

персоналу і періодичної перевірки знань, стаціонарні ємкості в залежності від їх конструкції і призначення обов'язково постачаються відповідними контрольно-вимірювальними приборами, запобіжними пристроями, засобами автоматики, запірною та іншою арматурою.

Для забезпечення уникнення пожежі необхідно мати протипожежні засоби: сухий пісок, листовий азбест, достатня кількість вогнегасників і пожежні рукава.

Висновок

Процес теплообміну займає провідне місце на підприємствах харчової промисловості, тому інженер-технолог повинен для кращого розуміння процесів, що відбуваються з продукцією, знати принцип роботи та вміти робити розрахунки теплообмінних апаратів. В дані в курсовій роботі було проведено комплексну роботу по розробці кожухотрубного теплообмінного апарату.

Розрахунок і підбір конструкції теплообмінника посідає важливе місце при проектуванні апаратів.

Дана курсова робота направлена на розрахунок оптимального варіанта кожухотрубного теплообмінника, який повинен забезпечити нагрівання дифузійного соку до певної температури та з певною продуктивністю, з найменшими затратами на виготовлення теплообмінника та на його експлуатацію.

Здобуті знання можуть бути використанні в подальшій науковій та практичній роботі.

Характерною особливістю для виробництв, що застосовують дане обладнання, є значна кількість утворень в повітрі робочих зон надлишкової теплоти, вологи, СО₂. Шкідлива дія СО₂ може проявитися при не вірному використанні робіт в середині резервуарів. У виробничих приміщеннях шкідливі гази проникають при розгерметизації обладнання. Апарати обладнують манометрами і запобіжними клапанами.

Для забезпечення безпеки перед мийкою, чисткою, дизинфікацією обладнання спочатку вентилюють. Мийка відбувається спеціальними стриями води або за допомогою стаціонарних мийок різної конструкції. Приміщення для мийки оснащують повітря-теплою завісою, що запобігає проникненню холодного повітря в зимовий період. Підлога роблять водо-непроникаючою з нахилом для видалення промивних вод. Для пропарювання застосовується пара під тиском до 0,05м Па.

Список використаної літератури

1. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств. Под. ред. В. Н. Стабникова. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1982.-199с.

2. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. Иоффе И.Л. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.,

3. Процессы и аппараты пищевых производств. Стабников В.Н., Попов В.Д.- М.: Агропромиздат, 1985.-503 с.

4. Кувшинский М.Н., Соболева А.П., Курсовое проектирование по предмету « Процессы и аппараты химической промышленности»: Учеб. пособие для учащихся техникумов. -2- е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. школа,1980.-223с.

5. Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник / За ред.. проф.. І.Ф. Манежика. - К.: НУХТ, 2003. - 400 с.

6. И.А. Чубик. Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: изд. « Пищевая промышленность», 1965. - 155 с.

Размещено на Allbest.ru

...