Компьютерное проектирование трубчатого теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Тепловой расчет аппарата

Целью теплового расчета теплообменных аппаратов является определение частных коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и поверхности теплообмена.

Исходные данные для проектирования трубчатого аппарата:

Ш Объемная производительность аппарата для молока, - 6 м³/ч

Ш Начальная температура молока, °С - t _н =10

Ш Конечная температура молока, °С - t _к = 85

Ш Давление пара, ати - 2,0

Ш Тип аппарата - вертикальный

1.1 Определение физических параметров продукта

Для определения физических параметров продукта необходимо определить его среднюю температуру.

(1.1)

где: t_н - начальная температура продукта, С;

t_к - конечная температура продукта, С.

По известной средней температуре продукта 47,5^оС из приложения Б определяются его физические параметры, которые записываем в таблицу 1.1.

Таблица 1.1. Физические свойства продукта

Наименование параметра	Ед. изм.	Условные обозначения	Значения параметра
Плотность	кг / м3	пр	1016,6
Теплоемкость	кДж / (кг·К)	спр	3,897
Теплопроводность	Вт / (м·К)	пр	0,581
Динамическая вязкость	Па·с	пр	852,6·10-6
Кинематическая вязкость	м2 / с	пр	0,84·10-6
Критерий Прандтля	---	Prпр	5,50

1.2 Определение средней разности температур и построение графика теплообмена между паром и продуктом

По заданному давлению пара P_нас = 2,0 ат из приложения В определяются его физические параметры и оформляются в соответствии с таблицей 1.2.

Таблица 1.2 Физические свойства пара

Наименование параметра	Ед. изм.	Условные обозначения	Значения параметра
Давление пара	ати	Рнас	2,0
Температура пара	С	Tнас	119,62
Удельный объем	м3 / кг	Vнас	0,902
Энтальпия	кДж / кг	iнас	2705,9
Скрытая теплота парообразования	кДж / кг	rнас	2203,5

По известной температуре пара, начальной и конечной температуре продукта строится график теплообмена, в соответствии с рисунком 1.1.

Рис. 1.1. График теплообмена между паром и продуктом.

t_б= t_нас - t_н = 119,62 - 10 = 109,62С (1.2)

t_м = t_нас - t_к = 119,62 - 85 = 34,62С (1.3)

где: t_б - большая разность температур, С;

t_м - меньшая разность температур, С;

t_нас - температура пара, С;

t_ср - средняя разность температур, С.

Так как >2, то среднюю разность температур рассчитывают по формуле:

t_ср = == 65,22С (1.4)

1.3 Определение физических параметров конденсата

Для определения физических параметров конденсата необходимо определить его температуру.

t_ст = t_нас - 0,5t_ср = 119,62 - 0,565,22 = 87,01С (1.5)

(1.6)

где: t_ст - температура стенки, С.

По известной температуре конденсата из приложения Б определяются его физические свойства и оформляются в соответствии с таблицей 1.3.

Таблица 1.3 Физические свойства конденсата

Наименование параметра	Ед. изм.	Условные обозначения	Значения параметра
Температура	С	tконд	103,99
Плотность	кг/ м3	конд	958,3
Теплоемкость	кДж/(кг·К)	сконд	4,232
Теплопроводность	Вт/(м·К)	конд	0,683
Динамическая вязкость	Па·с	конд	282,2·10-6
Кинематическая вязкость	м2 / с	конд	0,295·10-6
Критерий Прандтля	---	Prконд	1,75

1.4 Определение тепловой нагрузки аппарата

Q = M·с_пр(t_к - t_н) (1.7)

где: Q - тепловая нагрузка, кДж / час;

М - производительность аппарата, кг/час;

V_ап - производительность аппарата, м³ / час;

с_пр - теплоемкость продукта, кДж / (кг·К);

_пр - плотность продукта, кг/ м³.

М = V_ап · _пр (1.8)

Q = 6 · 1016,6 ·3,897 ·(85-10) = 1782760,59 кДж/час (1.9)

1.5 Определение режима движения продукта по трубам

Режим течения жидкости характеризуется критерием Рейнольдса. В прямых гладких трубах при Re < 2300 наблюдается ламинарный режим, движения, при Re > 10000 - устойчивый турбулентный, при 2300 < Re < 10000 - переходный.

(1.10)

где: _пр - кинетическая вязкость продукта, м² / с.

Скорость движения молока принимаем равным 1 м/с, критерий Рейнольдса при этом равен 54762, т.е. Re > 10000, следовательно, режим движения молока по трубам турбулентный.

Внутренний диаметр трубы определяют из уравнения неразрывности струи.

(1.11)

По рассчитанному внутреннему диаметру труб из приложения Д подбираем стандартный наружный диаметр, толщину стенок трубы и определяем внутренний, стандартный диаметр:

d_вн* = d_нар - 2а_ст (1.12)

где: а_ст - толщина стенки трубы, мм.

d_нар= 0,046 + 20,003 = 0,052 мм

Принимаем наружный диаметр по ГОСТу равным 0,05 мм., внутренний фактический диаметр равен:

d_вн* = 0,05 - 0,006 = 0,044мм

Определяется фактическая скорость движения продукта по трубам:

(1.13)

1.6 Определение коэффициента теплоотдачи от пара к горизонтальной стенке аппарата

(1.14)

где: _конд - теплопроводность конденсата, кДж/(кг·К);

_конд - плотность конденсата, кг/м³;

_конд - динамическая вязкость конденсата, Па·с;

r _нас - скрытая теплота парообразования, кДж/ кг.

1.7 Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки аппарата к продукту

(1.15)

где: _пр - теплопроводность продукта, Вт/(м·К);

Pr _пр - критерий Прандтля;

Nu - критерий Нуссельта.

1.8 Определение коэффициента теплопередачи (Вт/(м²К))

(1.16)

где: - коэффициент, учитывающий влияние накипи на поверхности трубок, для теплообменных аппаратов принимается в пределах от 0,8 до 0,9.

1.9 Определение поверхности теплообмена (м²)

Площадь поверхности теплообмена определяется из основного уравнения теплопередачи:

(1.17)

где: - время теплового процесса (1 час).

теплоотдача труба теплоизоляционный насос

2. Конструктивный расчет аппарата

Целью конструктивного расчета трубчатых теплообменных аппаратов является определение габаритных размеров числа труб, способа размещения труб в трубной решетке и диаметров патрубков для ввода пара и отвода конденсата.

Определение сечения (м² ) одного хода по продукту

(2.1)

Определение числа труб в одном ходу.

(2.2)

где: S_1тр - площадь сечения одной трубы, м²

Определение длины пути продукта.

(2.3)

где: L - длина пути продукта, м;

d_ср - средний расчетный диаметр труб, м;

 (2.4)

Определение числа ходов.

(2.5)

где: l_тр - длина одной трубы аппарата, принимаем равной 1,2 м;

Определение общего числа труб в аппарате.

(2.6)

Разбивка труб в коллекторе

Располагаем трубы внутри аппарата по квадрату 4*4.

Рис. 2.1 - Схема размещения труб в трубном коллекторе

Определение диаметра аппарата (без теплоизоляции).

(2.7)

где: n - число труб по диагонали аппарата;

t - шаг труб (расстояние между центрами труб), м

t = (1,2 - 1,3)*d_нар

(2.8)

2.8. Определение расхода пара (кг/ч).

(2.9)

где: - тепловой кпд аппарата, принимаем 0,9;

с_конд - теплоемкость конденсата, кДж / (кг·К);

i_нас - удельная энтальпия пара, кДж/ кг.

Определение диаметра патрубка, подводящего пар.

(2.10)

где: _пара принимаем скорость движения пара 30 м/с.

V_нас - удельный объем пара, м³/кг.

По ГОСТу принимаем диаметр патрубка равным 0,09 м

Определение диаметра патрубка (м) для конденсата

(2.11)

где: _конд - скорость движения конденсата, принимается равным от 1 до 2 м/с.

По ГОСТу диаметр патрубка для отвода конденсата принимаем равным 0,012 м.

3. Расчет теплоизоляции аппарата

Целью теплоизоляции трубчатого аппарата является определение толщины теплоизоляционного слоя, обеспечивающего допустимые потери теплоты и условия безопасной работы теплообменного аппарата.

3.1 Определение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к окружающей среде

(3.1)

где: t_из- температура наружной поверхности теплоизоляции, принимается равной 40С.

3.2 Определение средней разности между воздухом и паром

Для определения средней разности температур строится график теплообмена в соответствии с рисунком 3.1.

Рис. 3.1. - График теплообмена между наружным воздухом и паром.

(3.2)

где: t_возд - температура воздуха в помещении цеха принимаем 20С.

3.3 Определение удельных потерь теплоты в окружающую среду

(3.3)

3.4 Определение коэффициента теплопередачи

(3.4)

3.5 Определение толщины теплоизоляционного слоя

(3.5)

где: _из - теплопроводность теплоизоляционного материала, Вт/(м·К);

_из = 0,08 Вт / (м·К). В качестве теплоизоляции используется минеральная вата. Сверху минеральную вату покрывают металлическими листами из нержавеющей стали, толщиной 1 мм.

3.6 Определение температуры стенки в точке соприкосновения внутренней поверхности аппарата с теплоизоляцией.

(3.6)

Так как температура стенки в точке соприкосновения ниже температуры возгорания теплоизоляционного материала, то минеральную вату рекомендуется использовать в качестве теплоизоляции в теплообменном аппарате.

4. Гидродинамический расчет аппарата

Целью гидродинамического расчета является определение общих потерь аппарата и подбор центробежного насоса.

4.1 Определение статического напора

Па (4.1)

где: h - высота столба жидкости (высота от насоса до патрубка аппарата), принимаем равным 1 метру.

(4.2)

4.2 Определение скоростного напора.

(4.3)

4.3 Определение путевых потерь.

(4.4)

где: Н_тр - потери на трение, Па;

Н_м - местные потери;

_тр - коэффициент гидравлического сопротивления, формула Блазиуса - для турбулентного и переходного режимов движения продукта.

 (4.5)

где: К_м - коэффициент местного сопротивления. Значения коэффициентов местного сопротивления определяются из приложения и оформляются в соответствии с таблицей 4.1.

Таблица 4.1. - Коэффициенты местного сопротивления аппарата

Вид сопротивления	Количество	Кн	Км
Вход в аппарат	1	1	1,0
Выход из аппарата	1	1	1,0
Поворот на 180	nобщ - 1=15	2,5	37,5
Итого Км	17	39,5

Определение общего напора.

(4.6)

4.4 Подбор насоса

По общему напору и производительности аппарата, из приложения Ж. подбираем насос и записываем характеристики насоса в соответствие с таблицей 4.2.

Таблица 4.2. Характеристика центробежного насоса

Наименование	Единицы измерения	Значение
Марка	-	Г2 - ОПВ
Производительность	м3/ час	6,0
Напор	м. вод. ст	26,5
Мощность двигателя	кВт	3,0
Абсолютное давление на входе	кгс/см2	не > 0,5
Частота вращения рабочего колеса	об/мин	2880

5. Проверочный расчет теплообменного аппарата

Целью проверочного расчета теплообменного аппарата является оценка его пригодности по производительности

5.1 Определение потребной разности температур

(5.1)

где: - коэффициент, учитывающий влияние накипи, принимаем 0,9.

_1ф - принимается расчетному значению (см. пункт 1.6.)

5.2 Определение меры пригодности аппарата

(5.2)

Отношение заданной разности температур к потребной, меньше единицы (а < 1, на 5%), следовательно, теплообменный аппарат не обеспечивает запроектированную производительность, в этом случае следует применять теплоноситель (пар) с повышенным потенциалом.

Список используемой литературы

Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевых производств / Г.Д. Кавецкий, Б.В. Васильев - М.: Колос. 2001.- 423 с.

Кирьянов Д.В. MathCAD 2001. - СПб.: БХВ - Петербург. 2001. - 537 с.

Крусь Г.Н. Технология молока и молочных продуктов / Г.Н.Крусь, А.Г. Храмцов, З.В. Волокитина, C.В.Карпычев. Под ред. А.М. Щалыгиной. - М.: КолосС.2004. - 455 с.

Лисин П.А. Справочник по технологическому оборудованию. Теплообменные аппараты для молока и молочных продуктов / П.А. Лисин. - ОмГАУ.2005. - 89 с.

Лисин П.А. Современное технологическое оборудование для тепловой обработки молока и молочных продуктов / П.А. Лисин, К.К. Полянский, Н.А. Миллер. - СПб.: ГИОРД - 2009. - 136 с.

Размещено на Allbest.ru

...