Проект теплообмінного апарата типу "труба в трубі"

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

теплообмінний труба екологія розрахунок

До найпоширеніших процесів у різних галузях харчової промисловості належать нагрівання і охолодження рідин і газів, які відбуваються у різноманітних за технологічним призначенням та конструктивним оформленням в теплообмінниках.

Теплообмінні апарати (теплообмінники) застосовуються для здійснення теплообміну між двома теплоносіями з метою нагріву або охолодження одного з них. Залежно від цього теплообмінні апарати називають підігрівачами або холодильниками. За способом передачі тепла розрізняють наступні типи теплообмінних апаратів:

- поверхневі, в яких обидва теплоносії розділено стінкою, причому тепло передається через поверхню стінки;

- регенеративні, в яких процес передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного розділяється за часом на два періоди і проходить при поперемінному нагріванні і охолоджуванні насадки теплообмінника;

- змішувачі, в яких теплообмін відбувається при безпосередньому зіткненні теплоносіїв.

Конструктивна схема теплообмінника залежить від того, яке середовище має бути спрямоване до трубного, а яке - до міжтрубного простору. Звичайно, в міжтрубний простір спрямовують середовище, об'ємна кількість якого більша в трубній, - яке забруднює поверхню теплообміну, тому що трубний простір легше чистити.

Матеріал вибирають залежно від характеру робочих середовищ. Напрям руху середовищ - прямо або протитечія (передача від рідини до рідини).

В харчовій промисловості найбільше розповсюдження отримали поверхневі теплообмінники, відміні різноманітністю конструкцій, основну групу яких представляють трубчасті теплообмінники, такі як: кожухотрубні, зрошувальні, занурені і "труба в трубі".

1. Опис об'єкта проектування

Теплообмінники "труба в трубі" включають декілька розташованих один над одним елементів, причому кожний елемент складається з двох труб: зовнішньої труби більшого діаметра і концентрично розташованої усередині неї труби меншого діаметра.

Внутрішні труби елементів, з'єднанні один з одним послідовно; так само зв'язані між собою зовнішні труби. Для можливості очищення внутрішні труби з'єднуються за допомогою розбірних калачів. Завдяки невеликому поперечному перетину в цих теплообмінниках легко досягаються високі швидкості теплоносіїв, як в трубах, так і в міжтрубному просторі. При значних кількостях теплоносіїв теплообмінник складають з декількох паралельних секцій, приєднаних до загальних колекторів.

Переваги теплоообмінників "труба в трубі":

- високий коефіцієнт теплопередачі внаслідок великої швидкості обох теплоносіїв;

- простота виготовлення.

Недоліки цих теплообмінників:

- громіздкість;

- висока вартість, зважаючи на велику витрату металу на зовнішні труби, що не беруть участь в теплообміні;

- складність очищения міжтрубного простору.

Теплообмінники "труба в трубі" можуть використовуватись, як для нагрівання, так і для охолоджування.

Швидкість робочих середовищ і коефіцієнт теплопередачі залежить від діаметрів зовнішньої та внутрішньої труб: при виборі відповідних діаметрів враховують необхідність задати відповідну швидкість обом середовищам та отримання високих значень коефіцієнту теплопередачі.

Спроектований теплообмінник є напіврозбірним зі стандартною довжиною секцій, що дозволяє при необхідності збільшити площу теплообміну шляхом послідовного приєднання додаткових секцій (колекторів) через фланцеві з'єднання.

Нагрівання звичайно проводиться або гарячою водою або насиченою водяною парою, яка запускається в міжтрубний простір і конденсується на поверхні внутрішньої труби.

Використовування водяної пари, як гріючого агента, має наступні переваги:

- високий коефіцієнт тепловіддачі;

- велика кількість тепла, що виділяється при конденсації пари; - рівномірність обігріву, оскільки конденсація пари відбувається при постійній температурі;

- легке регулювання обігріву.

При охолоджуванні в теплообмінниках "труба в трубі", як холодоагент, може використовуватись річкова або артезіанська вода, а у випадку, коли вимагається отримати температуру нижче 5-20 °С застосовують охолоджувальні розсоли (водні розчини СаСl₂, NаСl і ін.).

2. Розрахунки

Розрахувати теплобмінник типа "Труба в трубі" для підігрівання томатного соку за наступними данними:

Кількість рідини, що нагрівається: G = 1, 1 кг/с;

Початкова температура: t_поч. = 33 °С;

Кiнцева температура: t_кін. =67 °С;

Тиск гріючої пари: Р = 0,24 МПа;

Температура гріючої пари при заданому тиску t_г.п.= 126, 09 °С; (2, стор, 292, табл.38)

2.1 Тепловий розрахунок

Теплофiзичнi характеристики томатного соку:

Густина томатного соку, який містить В=5% при середній температурі продукту

t_сер. =,

визначається за формулою:

с= 1016,76+ 4,4· В- 0,53· t_сер.= 101616,76+ 4,4· 5- 0,53·50=1012,26 кг/м³

Коефіцієнт динамічної вґязкості для томатного соку при 50(µ₅₀ (мПа·с)) визначаємо за формулою:

µ_пр.= 0,199· В^2,94· t^-1,17= 0,0199· 5^2,94· 50^-1,17= 0,0232 мПа·с

Теплоємність рослинної сировини у водних напівфабрикатах визначаємо за формулою:

С_пр.= 4228,7 - 20,9В - 10,88t= 4228,7- 20,9· 5- 10,88· 50= 3580,2 Дж/кг·К

Коефіцієнт теплопровідності томатного соку з В=5% при 50 °С розраховуємо за формулою:

л_пр.= (528- 4,04· В+ 2,05· t)· 10^-3= (528- 4.04· 5+ 2,05· 50)· 10^-3= 0,6103 Вт/м·К

Теплове навантаження та витрата пари:

Загальне теплове навантаження теплообмінника розраховуємо за формулою:

Q=G· c_пр.· (t₂-t_-1)= 1,1· 3580,2(67- 33)= 133899,48 Вт

3 рівняння теплового балансу знаходимо необхідну витрату пари:

Q=G· c_пр.· (t₂-t_-1)= D· (h^ґґ- h_k)· з

де: h^ґґ- ентальпія сухоі насиченої пари, кДж/к

h_k- ентальпія плівки конденсату, кДж/кг;

h_k- 2716,6 кДж/кг [2, стор. 292, табл. 38]

h_k- h^ґ- ?h

де: h^ґ - ентальпія конденсату, кДж/кг

h^ґ- 533,5 кДж/кг [2, стор. 292, табл. 38].

?h- величина зменьшення ентальпії конденсату, ?h= 10 . . . 20 кДж/кг

Приймаємо: ?h= 15 кДж/кг

тоді: h_k= 518,5 кДж/кг

з- коефіцієнт втрат тепла з= 0,98 . . . 0,99

Приймаємо: з= 0,985

тоді:

=0,0618 кг/с

Задаємо швидкість руху продукту в трубі теплообмінника. Її величину виби- раємо такою, щоб забезпечити розвинутий турбулентний рух в трубах. Звичайно швидкість руху продукту - 0,5 ... 1,5 м/с. Приймаємо приблизну швидкість руху:

Розраховуємо внутрішній діаметр внутрішньої труби:

d_вн =1,13·

Згідно з рекомендаціями [1,стор 17,Табл 21] приймаємо трубу діаметром:

d_зовн Ч S= 45 Ч 3 мм;

Тоді: d_зовн=0,045 м; d_вн=0,039 м;

Уточнюємо швидкість руху продукту в трубі теплообмінника:

де: - площа поперечного перетину труби, м²

Тоді:

За даною швидкістю знаходимо критерій Рейнольдса, який характеризує режим руху рідини в трубці:

Re < 10000 - говорить про ламінарний рух продукта в трубі теплообмінника. Для проведення подальших розрахунків, визначимо приблизну температуру стінки t_ст ,та температуру плівки конденсату t_{плів. конд.} , за допомогою формул:



Визначаємо середню логарифмічну різницю температур теплоносіїв. Розрахунок ведемо для протитоку:

t, ?С Пара

126,09 ?С 126,09 ?С

?t_м

67 ?С ?t_б

33 ?С

F, м²

Рис. 1 Схема зміни температури теплоносіїв при протитечії

Для визначення коефіцієнту тепловіддачі б₁-від пари до горизонтальної труби при конденсації пари використовуємо критеріальне рівняння акад. Міхєєва:

де: K_k- критерій конденсації:

де: - критерій Галілея;

- критерій Прандтля;

- критерій Кутателадзе;

де: d_зовн.- характерний лінійний розмір - зовнішній діаметр, м

?? - прискорення вільного падіння, ??= 9,81м/с²;

н - коефіцієнт кінематичної в'язкості конденсату, м²/с;

c_p-теплоємність конденсату, кДж/кг·К;

л- коефцієнт теплопровідності конденсату, Вт /кг ·К;

r - прихована теплота пароутворення (конденсації),кДж/кг;

?t= t_г.п. - t_ст.= 126,09 - 88,1= 38 ?С - температурний напір;

Значения фізичних констант конденсату при температурі плівки конденсату [2,стор 273,Табл 4]: t_{плів.конд.} = 107,07 °С

н= 0,278·10^-6 м²/с; µ=265,9·10^-6 Па·с; c_p=4,245 кДж/кг·К; л=0,682 Вт/кг·К; r=2186 кДж/кг [2,стор 292,Табл 38] при Р=0,24

Тоді:

Pr=1,64 при t_{плів.конд.} = 107,07 °С; Pr_ст.=2 при t_ст=88,1°С

Визначаємо величину коефіцієнта тепловіддачі б₁ :

Вт/м²·К

Коефіцієнт теплообміну від стінки труби до продукту визначимо з рівняння:

Pr_ст.-критерій Прандтля при середній температурі продукту;

Pr_ст.-критерій Прандтля при середній температурі стінки; при t_ст=88,1°С

С_ст.=3580,2 кДж/кг·К; µ_ст.=0,01197 Па·с; л_ст.=0,688 Вт/кг·К

Gr- критерій Грасгофа:

в - температурний коефіцієнт об 'ємного розширення рідин, 1/К;

?t - різниця температур, відповідна різниці густин, К.

Густина соку при температурі стінки складає:

с₁- густина томатного соку при середній температурі продукту t_сер. = 50°С

с₂- густина томатного соку при середній температурі стінки t_ст. = 88,1°С

Gr^0,1=2,72

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від пари до продукту:

д_ст.- товщина стінки, м. д_ст - 0,003 м.

л_ст.- коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки при температурі стінки,

л_ст =17,5 Вт/м·К;[3,стор 253,Табл 1]

Визначаємо зовнішню поверхню нагріву теплообмінника за формулою:

Визначаємо питомий тепловий потік:

Знаючи питомий тепловий потік, визначаємо температури на поверхні труби:

Визначаємо середню температуру стінки:

Отримане значення середньої температури стінки відрізняється від раніше прийнятої на: t_{ст. сер.}-t_ст. = 115,12 -88,1 = 27,02 °С , що перевищує допустиму різницю в 2...3 °С. Тому повторюємо розрахунок, застосовуючи нове значення температури стінки: t_{ст. сер.} =115,12 °С. Тоді температура плівки конденсату:

Визначаємо фізичні константи плівки конденсату:

н= 0,253·10^-6 м²/с; µ=236,9·10^-6 Па·с; c_p=4,245 кДж/кг·К; л=0,686 Вт/кг·К; r=2185,7 кДж/кг [2,стор 293,Табл 38] при Р=0,24.

Тоді:

Pr=1,463 при t_{плів.конд.} = 120,61 °С; Pr_ст.=1,59 при t_ст=115,12°С

Визначаємо величину коефіцієнта тепловіддачі б₁ :

Вт/м²·К

Коефіцієнт теплообміну від стінки труби до продукту визначимо з рівняння:

Pr-критерій Прандтля при середній температурі продукту;



Pr_ст.-критерій Прандтля при середній температурі стінки; при t_ст=115,12°С

С_ст.=3580,2 кДж/кг·К; µ_ст.=0,0874 Па·с; л_ст.=0,744 Вт/кг·К

Gr- критерій Грасгофа:

в - температурний коефіцієнт об 'ємного розширення рідин, 1/К;

?t - різниця температур, відповідна різниці густин, К.

Густина соку при температурі стінки складає:

с₁- густина томатного соку при середній температурі продукту t_сер. = 50°С

с₂- густина томатного соку при середній температурі стінки t_ст. = 115,12°С

Gr^0,1=2,88

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від пари до продукту:

д_ст.- товщина стінки, м. д_ст - 0,003 м.

л_ст.- коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки при температурі стінки,

л_ст =17,5 Вт/м·К;[3,стор 253,Табл 1]

Визначаємо зовнішню поверхню нагріву теплообмінника за формулою:

Визначаємо питомий тепловий потік:

Знаючи питомий тепловий потік, визначаємо температури на поверхні труби:

Визначаємо середню температуру стінки:

Отримане значення середньої температури стінки відрізняється від раніше прийнятої на: t_{ст. сер.}-t_ст. = 115,6 -115,12 = 0,48 °С , що не перевищує допустиму різницю у 2...3 °С. Тому вважаємо розрахунок вірним.

2.2 Конструктивний розрахунок

Активну довжину трубки теплообммінника визначаємо за формулою:



Так як довжина в одному ході виходить великою, то для зменшення довжини теплообмінника робимо його тринадцятиходовим:

Використовуючи рекомендовані довжини труб, приймаємо довжину одного ходу -1,45м.

Внутрішній діаметр зовнішньої труби розраховуємо за формулою:

с_пари. - густина пари при t_г.п. = 126,09°С; с_пари. =1,3712 кг/ м³;[2,стор 289,Табл 37] _пари.-швидкість руху пари, м/с; _пари.= 8 … 20 м/с.

Приймаємо: _пари. = 12м/с.



Приймаємо найближче значення, відповідно рекомендаціям, оптимальний варіант: труба холоднокатана ГОСТ 8734-90 D_зовн. Ч S= 90 Ч 4 мм.

D_зовн. =0,090; D_внутр.=0,0 82.

Тоді дійсна швидкість пари:

3. Розрахунок патрубків

Патрубки розраховуємо з урахуванням витрат та допустимих швидкістей. Патрубки для підведення та відведення продукту виконані в одне ціле з трубою теплообмінника.

Приймаємо швидкість руху пари у патрубку - = 12м/с

Приймаємо: d_пари = d_y =0,068м.

Діаметр патрубка для виведення конденсату:

с_конд.-густина пари при t_{плів.конд.}=120,61°С; с_код.=942,48 кг/ м³;[2,стор 289,Табл 37] _пари.-швидкість руху пари, м/с; Приймаємо: _пари. = 0,5м/с.

Приймаємо: d_конд. = d_x =0,026м.

4. Гідравлічний розрахунок

Гідравлічний опір апарату розраховуємо за формулою:

Р_тертя - опір рідини по довжині труби, Па;

?Р_{місц.опори} - опір рідини місцевим опорам,Па.

L₀- довжина руху рідини в теплообміннику,м.

x - кількість місцевих опорів, x =11

R - радіус гнуття калачів (так як використовуються чавунні калачі - радіус

R= 2d_зовн.[1,стор.18]

Загальний опір:

5. Розрахунок потужності на валу насоса

По сумарній втраті тиску визначаємо потужність на валу насоса, необхідну для переміщення теплоносія через апарат, Вт.

з_н -ККД насоса, для центробіжних насосів з_н =0,77....0,88 Приймаємо: з_н =0,8

6. Розрахунок теплової ізоляції

Приймаємо ізоляцію з совеліта. Вона відповідає вимогам - має малий коефіцієнт теплопровідності, достатньо міцна, дешева та має довгий термін використання під час експлуатації.

Температура на зовнішній поверхні ізоляції повинна бути в інтервалі 35 -45 °С (що відповідає вимогам техніки безпеки).

Для совелітової ізоляції при середній температурі:

t_г.п. , t_із. , t_пов. - температура, відповідно в апаратах, на поверхні ізоляції та повітря; °С.

Коефіцієнт теплопровідності ізоляції:

??- сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, Вт/м²·К;:

Необхідну товщину теплової ізоляції обчислюємо за формулою:



Приймаємо товщину теплової ізоляції у_із.= 32мм

7. Технічні показники

Спроектований апарат має такі техніко-економічні показники:

- площа поверхні теплообміну: F = 2,3 м²

- продуктивність за продуктом: С = 1,1 кг/с.

- гарячий теплоносій - суха насичена пара тиском Р = 0,24 МПа.

- холодний теплоносій - томатний сік з концентрацією сухих речовин

В =5 %, початкова температура - 33 °С

кінцева температура - 67 °С

8. Місце та призначення апарату в технологічній схемі

Широке розповсюдження явищ теплообміну в харчовій промисловості вимагає більшої кількості конструкцій теплообмінних апаратів. Конструкцій теплообмінників у кожному конкретному випадку повинні забезпечувати оптимальне поєднання теплової ефективності, зручності експлуатації, малих капіталовкладень та експлуатаційних витрат, якщо це можливо.

Підготовчі операції

Пресування

Підігрівання томатного соку від t_поч. =33 °С до t_кін. = 67 °С в теплообміннику типу "Труба в трубі»

Гарячий розлив в тару та закупорка

Стерилізація

Кінцеві операції обробки

Складське зберігання

Підготовка тари

Рис 2. Технологічна схема виготовлення соку томатного

9. Умови безпечної експлуатації теплообмінника

Необхідними умовами безпечної експлуатації теплообмінника є:

- виготовлення і монтаж теплообмінника в точній відповідності з проектною та монтажною документацією;

- підгонка та приєднання всіх трубопроводів у відповідності з технологічною схемою, набивка и затяжка фланцевих з'єднань та їх герметизація;

- приєднання допоміжних пристроїв та механізмів, установка арматури контрольно-вимірювальних приборів, установка огороджень;

- випробування теплообмінника на прочність , герметичність і сдача інспектору Госгортехнадзору;

- проведення пробної експлуатації;

- проведення теплоізоляційних робіт;

- наявність інструкцій, затверджених у встановленому порядку,у відповідності з якими повинна проводитись експлуатація теплообмінника;

- своєчасне проведення ремонтних робіт;

- систематичний контроль за роботою конденсатовідводника, виключення попадання незконденсованої пари в конденсатну лінію;

- систематична перевірка запобіжних клапанів.

Порядок безпечної експлуатації апарату.

Перш за все, теплообмінник повинен працювати в оптимальному тепловому режимі, який відповідає технологічному режиму теплової обробки продукту. Теплообмінник повинен забезпечуватись системою автоматичного регулювання температури та тиску теплоносія, що входить і температури продукту, що виходить. Для візуального контролю за параметрами теплоносія і продукту підігрівник забезпечується:

- ртутним термометром кл.0,5 ГОСТ 28679-80 0-150 (контроль температури пари);

- ртутним термометром кл.0,5 ГОСТ 28679-80 0-100 (контроль температури продукту, що виходить);

- манометром 0-1,5 атм ГОСТ 28679-80 кл.0,2 (контроль тиска пара)

Оскільки теплообмінник відноситься до сосудів, які підлягають інспектуванню Госгортехнадзором, він повинен періодично оглядатись:

1. Зовнішній огляд, без попередження підприємства, не рідше 1 разу на рік. Одночасно повинні контролюватись правильність експлуатації та рівень технічної підготовки персоналу;

2. Внутрішній огляд не рідше 1 разу на 3 роки, при огляді перевіряється стан внутрішніх поверхонь та зварних швів;

3. Гідравлічне випробування з попереднім внутрішнім оглядом рідше 1 разу в 6 років на прочність та герметичність по паровій та продуктовій полостям. У випадку, якщо апарат не знаходився в експлуатації більше року або ремонтувався, зв'язаного з нанесенням заплат и т.п., то перед пуском він повинен бути гідравлічно випробуваний. При усунені наслідків аварії повинні бути встановлені причини, винуватці аварії, а також розроблені заходи, направлені проти повторення подібних випадків.

4. Систематична очистка поверхонь теплообміну від забруднень, способи очистки підбираються в залежності від виду та ступеню забруднень (механічний, хімічний, гідравлічний, термічний).

Техніка безпеки при експлуатації апаратів

При експлуатації апаратів слід користуватись «Правилами устройства и безопасности сосудов, работающих под давлением», затверджених у встановленому порядку.

Серед мір, які повинні прийматися руководством підприємства по створенню безпечних умов труда, слід назвати наступні:

1. Реєстрація теплообмінника в місцевій інспекціії Госгортехнадзору;

2. Оформлення спеціальної книги для реєстрації результатів випробувань та затвердження;

3. Організаційно-технічні заходи по створенню безпечних умов праці: затвердження інструкції по техніці безпеки для кожного робочого місця, інструктажі на робочому місці з проведенням реєстрації в спеціальному журналі, аналіз причин виникнення нещасних випадків та розробка заходів для попередження подібного у майбутньому;

4. Організація здачі техмінімуму по обслуговуванню теплообмінника;

5. Заборона підвищення тисків і температур в апараті і трубопроводах вище допустимих меж;

6. Внутрішній огляд теплообмінника допускається проводити лише при температурі не вище 30°С, напруга живлення освітлювальної апаратури та електроінструменту повинно бути 12В.

7. Вивішування забороняючих табличок «Не включать работают люди!» в місцях, де можлива подача пара, продукту и т.п.

8. Використання лише регламентованого та справного інструменту.

10. Питання екології

Шкідливих викидів при роботі теплообмінника немає, тому при зупинці виробництва повинні бути лише прийняті заходи, щодо виключення порчи продукту та втрати води.

При ремонті теплоізоляції та окраски обладнання повинні бути прийняті заходи, що виключають забруднення навколишнього середовища (повинна бути проведена утилізація відходів, окраска повинна бути проведена у відведених місцях, обладнаних вентиляцією та уловлюючими приладами). При проведенні очистки поверхні теплообміну від забруднень повинні бути також прийняті міри, що виключають забруднення навколишнього середовища шкідливими речовинами: каустичної соди, хлорного вапна, керосина и т.д.

Висновок:

Розрахований теплообмінник за своїми технічними показниками не відрізняється від описаних в літературних джерелах. Необхідно відмітити, що конструкція даного теплообмінника є дуже громіздкою. Для зменшення металоємкості конструкції можливо збільшити коефіцієнт тепловіддачі, а також збільшити середню температуру ?t.

Список використаної літератури:

1. Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств. Учебн. пособие для вузов / Под ред. С.М.Гребенюка, Н.С.Михеевой.- М.: Агропромиздат, 1990.-271 с.

2. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств. Под ред. В.Н.Стабникова-К.: Вища школа, 1982.- 1999 с.

3. Стахеев И.В. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств. Минск: Вища шк.,1972.- 304 с.

4. Процеси и апарати харчових виробництв. Варіанти завдань та методичні вказівки до виконання курсового проекту // Порхунов О.І., Гайворонська З. М.- Полтава: ПКІ, 2000.- 36с.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.-Л., 1969 .- 455 с.

6. Лунин О.Г., Вельтищев В.П. Теплообменные аппараты пищевых производств.- М.: Агропромиздат, 1987.- 239 с.

Размещено на Allbest.ru

...