Проект кожухотрубного теплообмінника для підігріву води на технологічні потреби підприємства

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Кафедра процесів і апаратів харчових виробництв

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

на тему:

„Проект кожухотрубного теплообмінника для підігріву води на технологічні потреби підприємства”

Виконала студентка групи БТЕК ІІІ-4

Жилик Алла

Керівник проекту: проф. Шевченко О.Ю.

Київ НУХТ 2013



Зміст

кожухотрубний теплообмінник конструкція апарат

Вступ

1. Види і типи теплообмінників

2. Область застосування

3. Конструкції теплообмінників

3.1 Кожухотрубний теплообмінник

3.2 Пластинчастий теплообмінник

3.3 Теплообмінник типу «труба в трубі»

4. Переваги і недоліки кожухотрубного теплообмінника

5. Вихідні дані

6. Розрахунок при w=0,6м/с

6.1 Тепловий розрахунок

6.2 Конструктивний розрахунок

6.3 Гідравлічний розрахунок

6.4 Розрахунок теплової ізоляції

7. Розрахунок при w=0,8м/с

7.1 Тепловий розрахунок

7.2 Конструктивний розрахунок

7.3 Гідравлічний розрахунок

7.4 Розрахунок теплової ізоляції

8. Розрахунок при w=1м/с

8.1 Тепловий розрахунок

8.2 Конструктивний розрахунок

8.3 Гідравлічний розрахунок

8.4 Розрахунок теплової ізоляції

9. Техніко-економічний розрахунок

10. Питання екології

11. Умови безпечної експлуатації

12. Охорона праці та протипожежні заходи

13. Опис технологічної схеми підключення апарату

14. Програма розрахунку на ЕОМ

15. Висновок

16. Список використаної літератури



Вступ

Теплообмін (теплопередача) -- фізичний процес передавання енергії у вигляді певної кількості теплоти від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою до настання термодинамічної рівноваги. Не можливо зупинити передачу тепла між сусідніми об'єктами з різними температурами -- її можна лише сповільнити. Одиницею вимірювання теплової енергії в системі СІ є Джоуль (раніше використовувалась калорія).

Є три види теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінення.

Із теплопровідністю ми стикаємося щоразу, коли визначаємо на дотик ступінь нагрітості якогось тіла. Наприклад, коли опускаємо металеву ложку в гарячий чай, ложка нагрівається не відразу, а поступово. Це пояснюється тим, що вода має вищу температуру, ніж ложка, і її молекули мають більшу кінетичну енергію. Після того, як ложку опустили у воду, молекули води передали частину своєї кінетичної енергії атомам металу.

Поступово температура води і кінетична енергія її молекул зменшуватимуться, а температура ложки і кінетична енергія атомів металу збільшуватимуться аж до вирівнювання температур води і ложки.

Теплопровідність -- це явище передачі внутрішньої енергії від однієї частини тіла до іншої або від одного тіла до іншого за їхнього безпосереднього контакту. За явища теплопровідності не відбувається перенесення речовини. Різні речовини мають різну теплопровідність. Так, метали краще проводять тепло, ніж дерево, тому ручки сковорідок виготовляють з дерева чи пластмас. Серед металів високу теплопровідність мають срібло і мідь.

Теплопровідність рідин менша, ніж теплопровідність металів. Добре відомо, що низьку теплопровідність мають хутро, вовна, пух, синтепон, оскільки пори в цих матеріалах заповнені повітрям і мало проводять тепло. Тому їх використовують для пошиття зимового одягу.

Наступний вид теплообміну -- конвекція. Під час конвекції енергія переноситься потоками газу чи рідини. У твердих тілах цей спосіб теплообміну неможливий. Конвекція зумовлює виникнення таких явищ природи, як вітер, теплі й холодні течії в океанах тощо.

Розрізняють природну і вимушену конвекцію, що відбувається, коли, наприклад, нерівномірно нагріту рідину перемішують мішалкою. Конвекція, як і теплопровідність, широко використовується в побуті. Саме завдяки конвекції нагрівається рідина в посудині, яка стоїть на гарячій плиті, обігріваються приміщення.

Випромінення (променевий теплообмін), подібно до теплопровідності та конвекції, є видом теплообміну.

Випроміненням енергія може передаватися на великі відстані і непотребує наявності речовини між тілами. Яскравий приклад -- випромінення Сонця, яке досягає Землі, проходячи відстань 149 000 000 км крізь майже безповітряний простір.

Енергію випромінюють усі тіла -- і сильно, і слабо нагріті. Чим вища температура тіла, тим більше енергії воно випромінює. Променевий теплообмін, як і інші види теплообміну, поширений у природі та використовується в побуті.

Теплообмінники - це пристрої, які служать для передачі тепла від теплоносія (гарячої речовини), до речовини холодного (нагрівається). В якості теплоносіїв можуть використовуватися газ, пари або рідина. На сьогоднішній день найбільш широке поширення з усіх видів теплообмінників отримали кожухотрубні. Принцип роботи кожухотрубного теплообмінника полягає в тому, що гарячий і холодний теплоносії рухаються по двох різних каналах. Процес теплообміну відбувається між стінками цих каналів.



1. Види і типи теплообмінників

Технологічне призначення теплообмінників різноманітне. Як правило розрізняються:

Ш теплообмінники, у яких передача тепла є основним процесом;

Ш реактори, у яких тепловий процес відіграє допоміжну роль,

Теплообмінники класифікують:

1. За способом передачі тепла розрізняються теплообмінники:

· змішування, у яких робітничі середовища безпосередньо стикаються або перемішуються;

· поверхневі теплообмінники -- рекуператори, у яких тепло передається через поверхню нагрівання -- тверду (металеву) стінку, що розділяє ці середовища.

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;

2. За основним призначенням розрізняються підігрівники:

Ш випарники;

Ш холодильники;

Ш конденсатори;

3. В залежності від виду робочих середовищ розрізняються теплообмінники:

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

· паро-рідинні -- при теплообміні між парою i рідиною (парові підігрівники, конденсатори);

· газорідинні -- при теплообміні між газом i рідиною (холодильники для повітря) i ін.

4. За тепловим режимом розрізняються теплообмінники:

Ш періодичної дії, у яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес;

Ш безперервної дії - зі сталим у часі процесом.

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

При безперервному процесі параметри його також змінюються, але уздовж проточної частини апарата, залишаючись постійними в часі в даному перерізі потоку. Безперервний процес характеризується сталістю теплового режиму i витрати робітничих середовища, що протікають через теплообмінник.

Існують такі типи теплообмінних апаратів:

Кожухотрубні теплообмінники. Вони найпоширеніші в харчовій промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовлені й надійні в експлуатації. Недоліком такого теплообмінника є складність очищення внутрішньої поверхні труб.

Двотрубні теплообмінники типу „труба в трубі”. Завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках досягають високих швидкостей руху теплоносіїв. Проте ці теплообмінники дуже громіздкі та металомісткі.

Заглибні теплообмінники. Виготовляють у вигляді змійовиків. Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках порівняно низький, але через простоту виготовлення вони набули значного поширення. Порівняно великий гідравлічний опір змійовика.

Спіральні теплообмінники. Переваги спіральних теплообмінників - компактність, можливість пропускання обох теплоносіїв з високими швидкостями, що забезпечує великий коефіцієнт теплопередачі. При однакових швидкостях робочих середовищ у спіральних теплообмінниках гідравлічний опір менший, ніж у кожухотрубних. Недоліками спіральних теплообмінників слід вважати складність виготовлення та низький робочий тиск - до 10⁶ Па.

Пластинчасті теплообмінники. Поверхню теплообміну в них створюють гофровані паралельні пластини. Конструктивні, експлуатаційні та теплотехнічні переваги пластинчастих теплообмінників сприяють дедалі ширшому застосуванню їх на підприємствах харчової промисловості. Недолік їх - велика кількість довгих ущільнювальних прокладок.

Ребристі теплообмінники. Таку конструкцію часто використовують у теплообмінниках газ-рідина або газ-пара, в яких при оптимальній конструкції поверхня з боку газу має бути максимальна, наприклад, в калориферах для нагрівання повітря парою в сушильних установках, а також в апаратах повітряного охолодження.



2. Область застосування

Кожухотрубні теплообмінники застосовуються тоді, коли потрібна велика поверхня теплообміну, тобто для випаровування і конденсації теплоносіїв в різних технологічних процесах, а також для нагрівання і охолоджування рідин і газів. В більшості випадків пара (гарячий теплоносій) вводиться в міжтрубний простір, а рідина, що нагрівається, протікає по трубах. Забруднені потоки (наприклад, запорошені гази або суспензії) слід направляти в трубки, а не в міжтрубний простір (оскільки трубки легше очищати). Поверхня теплообміну теплопередаючих поверхні апаратів може становити від декількох сотень квадратних сантиметрів до декількох тисяч квадратних метрів.



3. Конструкції теполообмінників

3.1 Кожухотрубний теплообмінник

Кожухотрубні теплообмінники через простоту конструкції та надійність є на сьогоднішній день найпоширенішими апаратами серед рекуперативних теплообмінників, що використовуються у промисловості. У промисловості теплообмінні апарати застосовують для нагрівання „гарячим” теплоносієм „холодного” та охолодження або нагрівання різних речовин до заданих параметрів. Гарячим теплоносієм прийнято називати робоче тіло, яке віддає теплоту, а холодним теплоносієм - речовину, що сприймає цю теплоту.

На рис. 1 зображено кожухотрубний теплообмінний апарат, який складається з пучка труб, закріплених в трубних решітках та обмежених кожухом, кришками тощо. Трубний та міжтрубний простори, в яких рухаються гарячий та холодний теплоносії, відокремлені один від одного поверхнею теплообміну.

Рис. 1 Горизонтальний багатоходовий кожухотрубний теплообмінний апарат жорсткої конструкції: 1 - кожух; 2 - трубчатка; 3 - трубна решітка; 4 - трубки; 5, 6, 7 - патрубки для вводу та виводу, відповідно, насиченої пари, конденсату та речовини; 8 - кришка еліптична; 9, 10 - фланець, відповідно, для патрубків та частин апарата; 11, 12 - перегородки, відповідно, трубного та міжтрубного простору; 13 - прокладка; 14 - горизонтальна опора

Отже, теплообмінний апарат складається з кожуху 1, в якому розміщена трубчатка 2, яка в свою чергу складається з двох трубних решіток 3 та пучка труб 4, які з'єднуються з трубними решітками за допомогою розвальцювання чи зварювання. Для підведення та відведення теплоносіїв (насичена пара, конденсат, водний розчин) апарат оснащено патрубками чи штуцерами 5, 6, 7. З торців апарат обмежено кришками 8. З метою підтримання потрібної швидкості теплоносіїв (для забезпечення високих коефіцієнтів тепловіддачі) та для зменшення вібрації трубного пучка в теплообмінному апараті встановлено перегородки 11 і 12, які розділяють трубний та міжтрубний простори на секції, при цьому забезпечується певна послідовність проходження теплоносіїв, як у трубному, так і у міжтрубному просторах. Для приєднання частин трубопроводів, арматури до патрубків вводу-виводу теплоносіїв та для з'єднання окремих вузлів апарата використовують фланці 9, 10. Крім того, для надійної та безпечної роботи при з'єднанні вузлів апарата застосовують ущільнювальні прокладки 13. Теплообмінний апарат на місці експлуатації встановлюють на опори 14.

Ще одним важливим елементом конструкції апарата є температурні компенсатори, які призначені для зменшення додаткових напружень, які виникають в місцях з'єднання частин апарата, що мають різні температури (особливо важливим є з'єднання труб з трубною решіткою). Тому, теплообмінні апарати в яких, різниця температур кожуха та труб буде більшою 50-60 °С, потребують наявності температурних компенсаторів, а апарати, в яких, температурний перепад менше вищезгаданого, мають жорстку конструкцію з нерухомою трубною решіткою. Коли нема необхідності в механічному очищенні міжтрубного простору. Тому, у трубний простір завжди подають рідину, яка при нагріванні може виділяти нерозчинний сад на стінках труб, а в міжтрубний простір подають чисту рідину або пару.

3.2 Пластинчастий теплообмінник

Теплообмінник має у собі такі частини:

· Нерухома плита з приєднувальними патрубками.

· Задня притискна плита.

· Теплообмінні пластини з ущільнювальними прокладками.

· Верхня напрямна.

· Нижня напрямна.

· Задня стійка.

· Комплект різьбових шпильок.

Така конструкція теплообмінника забезпечує ефективну компоновку теплообмінної поверхні і, відповідно, малі габарити самого апарату.

Всі пластини в пакеті однакові, тільки розгорнуті одна за одною на 180 °, тому при стягуванні пакета пластин утворюються канали, по яких і протікають рідини, що беруть участь в теплообміні. Така установка пластин забезпечує чергування гарячих і холодних каналів.

Рис. 2 Концептуальна схема пластинчастого теплообмінника

Основним елементом теплообмінника є теплопередаючі пластини, виготовлені з корозійно-стійких сталей товщиною 0,4 - 1,0 мм, методом холодного штампування. У робочому положенні пластини щільно притиснуті одна до одної і утворюють щілинні канали. На лицьовій стороні кожної пластини в спеціальні канавки встановлена ??гумова кон-турна прокладка, що забезпечує герметичність каналів. Два з чотирьох отворів у пластині забезпечують підведення і відведення гріючого або наг-рітого середовища до каналу. Два інших отвори, додатково ізольовані малими контурами прокладки запобігають змішання (перетікання) гріючого і нагрітого середовищ. Для попередження змішування середовищ в разі прориву одного з малих контурів прокладки передбачені дренажні пази.

Просторово звивиста течія рідини в каналах сприяє турбулізації потоків, а протитечія між нагрітим і гріючим середовищем сприяє збільшенню температурного напору і, як наслідок, інтенсифікації теплообміну при порівняно малих гідравлічних опорах. При цьому різко зменшується відкладення накипу на поверхні пластин.

При великій різниці у витраті середовищ, а також при малій різниці в кінцевих температурах середовищ існує можливість багаторазового теплообміну середовищ шляхом петлеподібного напрямлення їх потоків. У таких теплообмінниках патрубки для підведення середовищ розташовані не тільки на нерухомій плиті, а й на притискній, а вздовж пластин - перегородок середовища рухаються в одному напрямку.

У процесі теплообміну рідини рухаються назустріч один одному (у протитечії). У місцях їх можливого перетікання знаходиться або сталева пластина, або подвійне гумове ущільнення, що практично виключає змішання рідин. Вид гофрування пластин і їх кількість, яке встановлюється в раму, залежать від експлуатаційних вимог до пластинчастого теплообмінника. Матеріал, з якого виготовляються пластини, може бути різним: від недорогої нержавіючої сталі до різних екзотичних сплавів, здатних працювати з агресивними рідинами.



3.3 Теплообмінник типу «труба в трубі»

Принцип роботи заснований на постійному контакті теплоносія з оброблюваної рідиною, використовується в технологічних системах для нагрівання або охолодження теплоносія з невеликою поверхнею теплообміну. Застосовуються теплообмінники з такою конструкцією і в харчовій промисловості, наприклад у виноробстві і при виробництві молочних продуктів.

Надійність роботи теплообмінників, виготовлених «за типом труба в трубі», зручність їх експлуатації засноване на таких факторах як:

* компенсація температурних деформацій;

* щільність і міцність рознімних фланцевих з'єднань;

* зручність при технічному обслуговуванні агрегату.

Основним елементом теплообмінника даного типу є пристрій, який складається з двох труб, що мають різний діаметр.

Значна різниця в діаметрі дозволяє вставити одну трубу в іншу по поздовжній осі, залишаючи проміжок між стінками труб для вільного переміщення теплоносія. Підключення до системи забезпечує постійний пропуск протитечією оброблюваного продукту і гарячої води, пари або холодного розсолу.

Рис. 3 Схема теплообмінника типу «труба в трубі

Конструкція теплообмінника складається з декількох прямолінійних ділянок труб, розташованих один над одним. Внутрішні труби з меншим діаметром послідовно з'єднані один з одним дугами в півколо (перехідними каналами), які кріпляться фланцевим з'єднанням. З'єднання зовнішніх труб виконується спеціальними патрубками, які дозволяють продукту вільно переміщатися по секції. Величина елементів труб і їх кількість в одній ланці може бути різним, що визначається в першу чергу необхідною продуктивністю теплообмінника.



4. Переваги та недоліки кожухотрубних теплообмінник

Кожухотрубні агрегати останнім часом користуються високим попитом, і більшість споживачів віддають перевагу саме даний тип агрегату. Такий вибір не випадковий - кожухотрубні агрегати мають безліч переваг.

Основною, і найбільш вагомою перевагою є висока стійкість даного типу агрегатів до гідроударів. Більшість вироблених сьогодні видів теплообмінників такою якістю не володіють.

Другою перевагою є те, що кожухотрубні агрегати не потребують роботи в чистому середовищі. Більшість приладів в агресивних середовищах працюють нестабільно. Наприклад, пластинчасті теплообмінники такою властивістю не володіють, і здатні працювати виключно в чистих середовищах.

Третьою вагомою перевагою кожухотрубних теплообмінників є їх висока ефективність. За рівнем ефективності його можна порівняти з пластинчастим теплообмінником, який за більшістю параметрів є найбільш ефективним.

Таким чином, можна з упевненістю говорити про те, що кожухотрубні теплообмінники є одними з найнадійніших, довговічних і високоефективних агрегатів.

Незважаючи на всі плюси, дані пристрої мають і деякі недоліки, про які також варто згадати. Перший, і найбільш значний недолік - великі розміри. У деяких випадках від використання таких агрегатів доводиться відмовлятися саме через великі габарити, тоді можна використовувати пластинчасті, продуктивність яких можна змінювати в широких межах шляхом збільшення площі. Пластинчасті теплообмінники займають невеликі виробничі площі при відносно великій поверхні теплообміну.

Другий недолік - висока металоємність, яка є причиною високої ціни кожухотрубних теплообмінників. У теплообмінників типу «труба в трубі» висока вартість зважаючи на велику витрату металу на зовнішні труби, що не беруть участь в теплообміні, але вони прості у виготовлені, що є перевагою.

Третім недоліком є складність очищення труб, порівняно кращими є пластинчасті, оскільки конструкція апарату дозволяє здійснювати ефективну без розбірну мийку, контролювати технологічний процес на всіх етапах, а також працювати в автоматичному режимі.



5. Вихідні дані

Продуктивність апарата

Тиск водяної пари

Температура:

пари

на вході в апарат

на виході з апарата

Швидкість руху рідини всередині трубок

Висота поверхні теплообмінника

Внутрішній діаметр трубок

Товщина стінки

Матеріал труб нержавіюча сталь



6. Розрахунок при

6.1 Тепловий розрахунок

1. Визначення температурних умов підігріву

Середню різницю температур між парою і рідиною, що нагрівається, визначають як середньо логарифмічну різницю:

Оскільки,

То

Середня температура рідини, яку нагрівають:

2. Теплофізичні властивості рідини, що нагрівається

В'язкість

Густина

Теплоємність

Коефіцієнт теплопровідності рідини

Коефіцієнт Прандля Pr=2,90

3. Теплове навантаження і витрати пари

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат визначається

,

де x--коефіцієнт, що враховує витрати теплоти в навколишнє середовище, х=1,05

Витрати пари:

4. Розрахунок коефіцієнта теплопередачі

Коефіцієнт тепловіддачі визначається залежно від режиму руху рідини.

Критерій Нуссельта знаходимо, за формулою , оскільки турбулентний режим руху рідини.

.

За знайденою величиною Nu:

Знаходимо коефіцієнт тепловіддачі від гріючої пари до стінки. Оскільки джерелом тепла є насичена водяна пара, то

-- прийняла

де

r-теплота конденсації,

А-розрахунковий коефіцієнт,

Приймаємо, що труби зроблені з нержавіючої сталі і товщиною стінки , тоді

Задану температуру перевіряють за таким рівнянням:

Різниця між заданою і розрахунковою температурою

Приймаємо, що

A=185

де

Різниця між заданою і розрахунковою температурою становить

5. Розрахунок площі поверхні нагрівання теплообмінника

6.2 Конструктивний розрахунок

1. Визначення площі перехідного перерізу трубок

2. Кількість труб одного ходу

3. Розрахункова довжина всіх ходів

Оскільки, ,

Тоді

.

4. Кількість ходів трубного простору

5. Загальна кількість труб, що розміщуються на трубних решітках

Труби в трубних решітках найчастіше розміщуються по сторонах правильних шестикутників. Для даного випадку при визначенні в теплообміннику загальної кількості труб n виходять з кількості труб а, розміщених на стороні найбільшого шестикутника:

Відстань між осями труб, крок:

Внутрішній діаметр корпусу теплообмінника визначається за формулою:

оскільки теплообмінник має 6 ходів

Діаметр патрубків для води:

Діаметр патрубків для конденсату:

Діаметр патрубків для пари:

Висота теплообмінника:

Висоту кришки h без патрубків беремо 0,35 діаметра кожуха (0,474·0,35=0,17м), а з патрубками на 0,2м більшу від діаметра патрубка (0,1+0,2=0,3 м)

6.3 Гідравлічний розрахунок

Втрата риску ?p під час руху теплоносіїв у трубах і між трубному просторі теплообмінника складається з втрат на подолання тертя і місцевих опорів:

Потужність, приводу насоса, потрібна для переміщення теплоносія через апарат:



6.4 Розрахунок теплової ізоляції

Втрата теплоти ізольованим обладнанням визначають за формулою:

Вт

Товщина ізоляції



7. Розрахунок при

7.1 Тепловий розрахунок

1. Визначення температурних умов підігріву

Середню різницю температур між парою і рідиною, що нагрівається, визначають як середньо логарифмічну різницю:

Оскільки,

То

Середня температура рідини, яку нагрівають:

2. Теплофізичні властивості рідини, що нагрівається

В'язкість

Густина

Теплоємність

Коефіцієнт теплопровідності рідини

Коефіцієнт Прандля Pr=2,90

3. Теплове навантаження і витрати пари

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат визначається

,

де x--коефіцієнт, що враховує витрати теплоти в навколишнє середовище, х=1,05

Витрати пари:

4. Розрахунок коефіцієнта теплопередачі

Коефіцієнт тепловіддачі визначається залежно від режиму руху рідини.

Критерій Нуссельта знаходимо, за формулою , оскільки турбулентний режим руху рідини.

.

За знайденою величиною Nu:

Знаходимо коефіцієнт тепловіддачі від гріючої пари до стінки. Оскільки джерелом тепла є насичена водяна пара, то

-- прийняла

де

r-теплота конденсації,

А-розрахунковий коефіцієнт,

Приймаємо, що труби зроблені з нержавіючої сталі і товщиною стінки , тоді

Задану температуру перевіряють за таким рівнянням:

Різниця між заданою і розрахунковою температурою становить

5. Розрахунок площі поверхні нагрівання теплообмінника

7.2 Конструктивний розрахунок

1. Визначення площі перехідного перерізу трубок

2. Кількість труб одного ходу

3. Розрахункова довжина всіх ходів

Оскільки, , тоді .

4. Кількість ходів трубного простору

5.Загальна кількість труб, що розміщуються на трубних решітках

Труби в трубних решітках найчастіше розміщуються по сторонах правильних шестикутників. Для даного випадку при визначенні в теплообміннику загальної кількості труб n виходять з кількості труб а, розміщених на стороні найбільшого шестикутника:

Відстань між осями труб, крок:

Внутрішній діаметр корпусу теплообмінника визначається за формулою:

оскільки теплообмінник має 6 ходів

Діаметр патрубків для води:

Діаметр патрубків для конденсату:

Діаметр патрубків для пари:

Висота теплообмінника:

Висоту кришки h без патрубків беремо 0,35 діаметра кожуха (0,4·0,35=0,14м), а з патрубками на 0,2м більшу від діаметра патрубка

(0,082+0,2=0,282м)

7.3 Гідравлічний розрахунок

Втрата риску ?p під час руху теплоносіїв у трубах і між трубному просторі теплообмінника складається з втрат на подолання тертя і місцевих опорів:

Потужність, приводу насоса, потрібна для переміщення теплоносія через апарат:



7.4 Розрахунок теплової ізоляції

Втрата теплоти ізольованим обладнанням визначають за формулою:

)

Вт

Товщина ізоляції



8. Розрахунок при

8.1 Тепловий розрахунок

1. Визначення температурних умов підігріву

Середню різницю температур між парою і рідиною, що нагрівається, визначають як середньо логарифмічну різницю:

Оскільки,

То

Середня температура рідини, яку нагрівають:

2. Теплофізичні властивості рідини, що нагрівається

В'язкість

Густина

Теплоємність

Коефіцієнт теплопровідності рідини

Коефіцієнт Прандля Pr=2,90

3.Теплове навантаження і витрати пари

Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат визначається

,

де x--коефіцієнт, що враховує витрати теплоти в навколишнє середовище, х=1,05

Витрати пари:

4. Розрахунок коефіцієнта теплопередачі

Коефіцієнт тепловіддачі визначається залежно від режиму руху рідини.

Критерій Нуссельта знаходимо, за формулою , оскільки турбулентний режим руху рідини.

.

За знайденою величиною Nu:

Знаходимо коефіцієнт тепловіддачі від гріючої пари до стінки. Оскільки джерелом тепла є насичена водяна пара, то

-- прийняла

де

r-теплота конденсації,

А-розрахунковий коефіцієнт,

Приймаємо, що труби зроблені з нержавіючої сталі і товщиною стінки , тоді

Задану температуру перевіряють за таким рівнянням:

Різниця між заданою і розрахунковою температурою

Приймаємо, що

A=185

де

Різниця між заданою і розрахунковою температурою становить

5. Розрахунок площі поверхні нагрівання теплообмінника

8.2 Конструктивний розрахунок

1. Визначення площі перехідного перерізу трубок

2. Кількість труб одного ходу

3. Розрахункова довжина всіх ходів

Оскільки,

, тоді .

4. Кількість ходів трубного простору

5. Загальна кількість труб, що розміщуються на трубних решітках

Труби в трубних решітках найчастіше розміщуються по сторонах правиль-них шестикутників. Для даного випадку при визначенні в теплообміннику загальної кількості труб n виходять з кількості труб а, розміщених на стороні найбільшого шестикутника:

Відстань між осями труб, крок:

Внутрішній діаметр корпусу теплообмінника визначається за формулою:

оскільки теплообмінник має 7 ходів

Діаметр патрубків для води:

Діаметр патрубків для конденсату:

Діаметр патрубків для пари:

Висота теплообмінника:

Висоту кришки h без патрубків беремо 0,35 діаметра кожуха (0,4·0,35=0,14м), а з патрубками на 0,2м більшу від діаметра патрубка

(0,074+0,2=0,274 м)



8.3 Гідравлічний розрахунок

Втрата риску ?p під час руху теплоносіїв у трубах і між трубному просторі теплообмінника складається з втрат на подолання тертя і місцевих опорів:

Потужність, приводу насоса, потрібна для переміщення теплоносія через апарат:

8.4 Розрахунок теплової ізоляції

Втрата теплоти ізольованим обладнанням визначають за формулою:

Вт

Товщина ізоляції



9. Техніко-економічний розрахунок

Техніко-економічний розрахунок дозволяє знайти оптимальні умови праці цих апаратів з врахуванням капітальних затрат, амортизації обладнання і експлуатаційних витрат.

Оптимальна швидкість руху рідини відповідає мінімуму функції:

де К_У - сумарні витрати, грн/рік,

К_А - амортизаційні витрати, грн/рік,

К_Е - експлуатаційні витрати, грн/рік.

1. Амортизаційні витрати:

К_А = F·C_F·a

де F - поверхня теплообміну, м²

С_F - вартість 1 м² поверхні теплообміну апарату, грн./м²,

С_F = 2000 грн./м²

а - річна доля амортизаційних відрахувань, %, а = 0,03%

2. Експлуатаційні витрати:

К_Е = N·C_E·ф

де N - потужність електродвигунів насосів, кВт,

С_Е - вартість 1 кВт·год електроенергії, грн/(кВт год)

С_Е = 0,46 грн/(кВт год)

ф - тривалість роботи апарату в році, год/рік

ф = 7400 год/рік

При w=0,6м/c

К_А = 16,5·2000·0,03=990 грн/рік

К_Е = 55,6·10^-3·0,46·7400=189 грн/ рік

грн/ рік

При w=0,8м/c

К_А = 15,3·2000·0,03=918 грн/ рік

К_Е = 107,3·10^-3·0,46·7400=365 грн/ рік

грн/ рік

При w=1м/c

К_А = 14,4·2000·0,03=864 грн/ рік

К_Е = 182·10^-3·0,46·7400=620 грн/ рік

грн/ рік

Згідно з розрахунками, для даного теплообмінника оптимальною швидкістю руху рідини є w=0,6м/c. Значення, що були визначенні раніше, заокруглюються, згідно до ГОСТ 9617-76.

Внутрішній діаметр теплообмінника становить

Кількість ходів трубного простору Z=6шт.

Відстань між осями труб S=0,035м

Патрубок для пари:

Діаметр

Довжина l_п = 0,011м

Товщина фланця

Зовнішній діаметр фланця b_п=0,27м

Патрубок для води:

Діаметр

Довжина l_п = 0,009м

Товщина фланця

Зовнішній діаметр фланця b_в=0,1м

Патрубок для конденсату:

Діаметр

Довжина l_п = 0,0085м

Товщина фланця

Зовнішній діаметр фланця b_к=0,0110м

Висота теплообмінника Н=3м

Висота кришки без патрубків h₁=0,17м

Висота кришки з патрубками h₂=0,3м



10. Питання екології

Спроектований кожухотрубний теплообмінник призначений для підігріву води на технологічні потреби підприємства. Вода у теплообміннику нагрівається за допомогою гарячого теплоносія, а саме насиченої пари, яка поступає в теплообмінник з температурою t_p=117 за тиску Р=0,18МПа. Для безпечної експлуатації апарату при заданих температурі, тиску, швидкості розраховувались товщина стінки апарату, що забезпечує його щільність і надійність, вибирались кришки, опори, фланці. Був здійснений розрахунок товщини теплової ізоляції. Оскільки вода і насичена водяна пара є екологічно чистими носіями, то середовища в теплообмінному апараті є нетоксичними, неагресивними та не є вибухонебезпечними. Вагомого шкідливого впливу на довкілля при роботі з таким продуктом не відзначається.

При роботі теплообмінника шкідливих викидів в атмосферу немає, лише тепловий потік з поверхні апарата, який можна максимально обмежити, використовуючи ізоляцію.

Однією з екологічних проблем є стічні води, які утворюються при митті апарата, вони містять велику кількість забруднюючих речовин. Тому перед скидом цих вод в каналізацію необхідно встановлювати очисні споруди. Ці теплообмінники не належать до тих, що можуть забрудню-вати навколишнє середовище, що є великою перевагою у його вико рис-танні.



11. Умови безпечної експлуатації

Експлуатація теплообмінників ведеться згідно з інструкцією, яка затверджена головним інженером підприємства. В якій вказується: порядок обслуговування апарата під час нормальних умов і аварій; права і обов`язки чергового персонала; порядок огляду і ремонту обладнання; правила з техніки безпеки і протипожежної техніки.

Теплообмінні апарати повинні працювати в оптимальному тепловому режимі, який відповідає технологічному режиму теплової обробки продукту.

Контролюючи роботу апарату, черговий персонал повинен слідкувати за температурою і тиском вхідного теплоносія і температурою вихідного продукту.

Черговий повинен своєчасно реєструвати в журналі показники роботи апарату, відмічати в ньому всі несправності і дефекти в роботі. Кожен апарат повинен мати свій порядковий номер, чітко зображений на його фронті. Той же номер повинно мати все допоміжне обладнання, віднесене до цього апарату (насоси, конденсатори і т.д.).

Якщо апарат не експлуатується більше року чи підлягав ремонту із заміною листів, то перед запуском повинно бути проведена гідравлічна перевірка.

На процес теплопередачі чинить великий вплив ступінь забруднення поверхні теплообміну, тому необхідно систематично чистити апарати для правильної їх експлуатації.

Спосіб очищення залежить від виду і ступеня забруднення, а також від конструкції апарата. Існують такі способи очищення теплообмінних поверхонь.

Механічний. Для очищення м`яких осадів використовуються волосяні щітки і щітки із латуної проволки, металічні йоржі. Тверда накип видаляється жорсткими проволочними щітками. Механічний спосіб часто пов`язаний з розбиранням апарата.

Хімічний. При цьому способі апарати заповнюють хімічними реактивами з наступним промиванням.

Гідравлічний. Застосовується для видалення не прилипаючи відкладень - піску, листя і т.д. - за допомогою струменя води з підвищеною циркуляційною швидкістю.

Термічний. Використовується для видалення дуже твердого накипу. Суть способу полягає в прогріванні трубок парою з наступним зрошенням холодною водою. Внаслідок різкої зміни температури накип відділяється і змивається водою.



12. Охорона праці та протипожежні заходи

Закон України «Про охорону праці», прийнятий Верховною Радою України 14 жовтня 1992 року, був переглянутий і затверджений Президентом України в новій редакції 21 листопада 2002 року. Він складається з преамбули та 9 розділів.

Цей закон визначає основні положення щодо реалізації конституційного права працівників на охорону їх життя і здоров'я у процесі трудової діяльності; належні, безпечні і здорові умови праці, регулює за участю відповідних органів державної влади відносини між роботодавцем і працівником з питань безпеки, гігієни праці та виробничого середовища і встановлює єдиний порядок організації охорони праці в України.

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.

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.



13. Опис технологічної схеми підключення апарату

Кисломолочну основу виробляють згідно з існуючою технологією резервуарного способу одержання кисломолочних напоїв при наступній послідовності технологічних операцій: приймання сировини, тимчасове зберігання, підготовка компонентів, складання суміші і норма лісове зберігання, підготовка компонентів, складання суміші і нормалізація, підігрів, очищення, гомогенізація, пастеризація, охолодження суміші до температури заквашування, сквашування, охолодження згустку.

До ємності для змішування компонентів 1 потрапляє сухе молоко і цукор, це потрапляє у ємність 2 разом з не збираним молоком. Всі компоненти надходять у пристрій для розчинення речовин 3, також туди додають добавки та стабілізатори. Після чого за допомогою відцентрового насоса 4, компоненти потрапляють в урівнювальний бачок, і далі відбувається процес термізації, тобто нагрівання суміш за допомогою кожухотрубного теплообмінника 6. Далі через рівняльний танк 7, продукт охолоджують до 20-25 у пластинчастій, пастеризаційно-охолоджувальній установці 8. Тоді суміш подається у гомогенізатор 9 для створення однорідної консистенції, після чого вона витримується у витримувачі 10, і у деаераторі 11, проходить очистка суміші від газових домішок. Наступним етапом є передача суміші за допомогою відцентрового насоса 4, у рівняльний танк 7, і через пластинчасту пастеризаційно-охолоджувальну установку 8, де відбувається пастеризація, у ємність для сквашування 12 надходить суміш та закваска. Це потрапляє у пристрій для змішування фруктів 13, куди додають наповнювачі. Далі за допомогою насосу для в'язких продуктів 14, суміш потрапляє у термізатор 15, де охолоджується згусток. Після цього суміш потрапляє у ємність для готового продукту 16, і за допомогою насоса для в'язких продуктів надходить на фасування до фасувального апарату 17. Після розфасовки готовий продукт іде у камеру готової продукції.

15. Висновки

Нагрівння і охолодження рідин 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 і економічно найраціональніший метод нагрівання і відповідні теплоносії.

У даному курсовому проекті, виходячи з даних, які були поставлені задачею були проведені розрахунки кожухотрубного теплообмінника:

· був здійснений тепловий розрахунок кожухотрубного теплообмінника, розраховано площу теплообміну, яка при w₁=0,6м/c становить F₁=16,5 м², при w₂=0,8м/c становить F₂=15,3м², і при w₃=1м/c F₃=14,4 м²;

· був здійснений конструктивний розрахунок; визначено кількість ходів трубного простору теплообмінника, загальну кількість труб теплообмінника, діаметри корпусу теплообмінника та патрубків;

· був здійснений гідравлічний розрахунок теплообмінника, розраховано потужність , , .

· був здійснений розрахунок теплової ізоляції, визначено товщину ізоляції та втрати ізольованим обладнанням.

· був здійснений техніко-економічний розрахунок, визначено амортизаційні, експлуатаційні та сумарні витрати. Встановлено, що оптимальною швидкістю руху речовини в теплообміннику є w₁=0,6м/c

Завдяки великій площі теплопередачі і малій різниці тисків досягається високий коефіцієнт теплопередачі при незначному гідравлічному опорі, що характеризується малою потужністю насосів і малими техніко-економічними витратами.



Список використаної літератури

1. http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BE%D0%B1%D0%BC%D1%96%D0%BD.

2. http://comfortholod.com/uk/refrigerationequipment/heat-exchangers/97-heatexchangers.html&usg=AFQjCNF9O14zbJyX_ZinXuMgTOBCaDBIcA.

3. http://bukvar.su/promyshlennost-proizvodstvo/90669-Kozhuhotrubnyiy-odnohodovoiy-teploobmennyiy-apparat-s-linzovym-kompensatorom-na-korpuse.html.

4. Проектування процесів і апаратів харчових виробництв. Під ред.. В.Н. Стабнікова. Київ, Вища школа. Головне вид-во, 1989. 199 с.

5. Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник. За ред.. проф.. І.В. Малежика. К.: НУХТ, 2003. 400 с. іл.

6. Никитин В.С., Бурашников Ю.М. Охрана труда на предприятиях пищевой промышленности. М.: Агропромиздат., 1991. 350 с.

7. Методичні вказівки до виконання курсових проектів з дисципліни «процеси і апарати харчових виробництв»/ Розділ «Теплообмінні апарати»/ для студентів усіх спец. ден. і заоч. форми навчання/ Укл. П.С. Циганков, О,П, Ніколаєв. К.: НУХТ, 1995. 24 с.

Размещено на Allbest.ru

...