Проектирование трубчатого теплообменника непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

задание

Задача. Спроектировать трубчатый теплообменник непрерывного действия. Исходные данные по вариантам взять из таблицы 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета трубчатого теплообменника

Последняя цифра шифра	Тип среды	Производительность, G (т/ ч)	Внутренний диаметр трубки, d (мм)	Толщина стенки трубки, д (мм)	Длина трубки, l (м)	Предварительное число ходов, zn	Предпоследняя цифра шифра	Начальная температура среды, t1, (°C)	Конечная температура среды, t2 (°C)	Давление греющего пара, рп (МПа)
0	вода	10	32	2,8	2	2	0	14	90	0,202
1	молоко	8	25	2,8	0,8	4	1	8	85	0,145
2	сливки	4	20	2,35	1	4	2	9	80	0,126
3	вода	9	40	3	1,2	2	3	15	80	0,275
6	молоко	7	25	2,8	2	4	4	4	87	0,146
5	сливки	5	20	2,5	0,8	6	5	8	78	0,128
6	вода	15	32	2,8	1,8	4	6	14	84	0,237
7	молоко	11	20	2,35	1,6	4	7	8	83	0,146
8	вода	12	25	2,8	2	2	8	12	75	0,172
9	молоко	8	32	2,8	1,4	6	9	6	82	0,144

Методика расчёта трубчатого теплообменника

Таблица 2

Исходные данные для расчёта

Показатель	Единица измерения	Условное обозначение	Значение
Массовая производительность	т/ч	G	10
Температуры среды
начальная	°C	t1	8
конечная	°C	t2	78
Давление греющего пара	МПа	рп	0,128
Внутренний диаметр трубок	мм	d	32
Длина трубок одного хода	м	l	2
Предварительное число ходов	шт.	zn	2
Вид нагреваемого продукта	Вода
Материал теплоизоляции

Примечание: Материал теплоизоляции выбрать из таблицы 4 приложения в ходе расчета согласно рекомендациям

1. Гидродинамический расчёт

Целью расчёта является определение режима движения и числа трубок в одном ходу теплообменника.

1.1. Определяем режим движения жидкости в нагревательных трубках при выбранной оптимальной технологической скорости из диапазона (0,6…1 м/с).

(1.1)

где х - средняя скорость движения продукта, м/с;

d - внутренний диаметр нагревательных трубок, м;

=0.6326- коэффициент кинематический вязкости среды при средней температуре, м²/ с.

t_cp= 0,5 (t₁+ t₂)= (1.2)

В таблице физических свойств продукта (см. Приложение) при t_cp методом интерполяции определяем значение .

Объёмный расход продукта, м³/с:

м³/с (1.3)

где с =990.94- плотность продукта при средней температуре, кг/м³.

Значение с определяем интерполяцией по табличным данным в интервале температур.

1.2. Рассчитываем число трубок в одном ходу теплообменника (п_х) из уравнения постоянства расхода:

(1.4)

откуда определяем искомую величину

(1.5)

2. Тепловой расчёт

Целью расчёта является определение тепловых нагрузок в теплообменнике, расхода греющего пара и площади поверхности теплопередачи.

2.1. Необходимый расход тепла (Q, Вт) определяем по уравнению тепловой нагрузки:

Q = G·c·(t₂ - t_l)= Вт (2.1)

где G - массовая производительность, кг/с;

с - средняя удельная теплоёмкость продукта при t_cp, Дж /кг·К.

2.2. С другой стороны, эта же тепловая нагрузка, определяемая по основному уравнению теплопередачи, будет передана греющим паром продукту через боковые поверхности всех трубок

Q = K·F·?t_cp (2.2)

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К;

F - площадь поверхности теплопередачи, м²;

?t_ср - средняя логарифмическая разность температур, °С.

2.3. Определяем среднюю логарифмическую разность температур ?t_ср.

°С (2.3)

где ?t_б - большая разность температур пара и продукта,

?t_м - меньшая разность температур пара и продукта.

?t_б =t_n - t₁= °С; ?t_м = t_n - t₂ =°С (2.4)

t_n =106.6- температура греющего пара, которую определяем по таблице свойств водяного насыщенного пара по величине заданного давления.

Приложения

Таблица 1

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления

Давление рп, МПа	Давление рп, атм	Температура, tп,°С	Плотность сп, кг/м3	Энтальпия жидкости i", кДж/кг	Энтальпия пара i', кДж/кг	Теплота парообразования r, кДж/кг
0,11772	1,2	104,2	0,6865	437,0	2686	2249
0,13734	1,4	108,7	0,7931	456,3	2693	2237

2.4. Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К):



Вт/(м²·К): (2.5)

где б₁ - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, Вт/(м²·К);

д_ст - толщина стенки трубки, м;

_ст - коэффициент теплопроводности стенки, (_ст = 16…18), Вт/(м·К);

б₂ - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки к жидкому продукту, Вт/(м²·К);

2.5 Определяем температуру конденсата:

°С (2.6)

где t_cт - средняя температура стенки, °С.

t_cт =0,5· (t_п + t_cр)= °С (2.7)

2.6. Рассчитываем б₁, Вт/(м²·К):

Вт/(м²·К) (2.8)

где _к - теплопроводность конденсата, Вт/(м·К);

с_к - плотность конденсата, кг/м³;

_к - динамическая вязкость конденсата, Па·с;

r - теплота парообразования, кДж/кг;

d_нар - наружный диаметр трубки, м.

d_нар = d + 2·д_ст, = (2.9)

- поправочный коэффициент:

здесь _{к tст} - теплопроводность конденсата, при температуре стенки, Вт/(м·К);

_{к tст} - динамическая вязкость конденсата, при температуре стенки, Па·с;

2.6. Рассчитываем а₂ из критериального уравнения Нуссельта:

- для турбулентного движения жидкости (Re > 2300):

(2.11)

где Pr - критерий Прандтля в потоке жидкого продукта;

Рr_ст - критерий Прандтля в пристеночном слое, который характеризуется более высокой температурой.

(2.12)

здесь с, м, л. определяем по таблицам физических свойств среды в приложении.

Аналогично определяем с_ст, м_ст, л_ст.

Зная величину Nu. определяем а₂



Вт/(м²·К): (2.15)

2.7. Рассчитываем площадь теплопередачи F из основного уравнения теплопередачи:

м² (2.16)

2.8. Фактическая площадь теплопередачи с учётом коэффициента использования поверхности нагрева = 0,8 составит:

м² (2.17)

2.9. Определяем массовый расход греющего пара G_n

(2.18)

где i' - энтальпия греющего пара, Дж/кг;

i'' - энтальпия конденсата, Дж/кг.

2.10. Удельный расход греющего пара d_n

d_n = G_n / G =

3. Конструкторский расчёт

Цель расчёта - определение точного общего числа нагревательных трубок и габаритных размеров теплообменника.

3.1. Определяем фактическое число ходов z_ф:

(3.1)

3.2. Общее предварительное число трубок n₀:

n₀ = п_х·z_ф = (3.2)

Нагревательные трубки в аппарате располагают по сторонам правильных вписанных шестиугольников.

3.3. Число вписанных правильных шестиугольников, по сторонам которых располагают нагревательные трубки (а) определяем решением квадратного уравнения вида:

п₀=3а²+3а+1 > 3а²+3а+(1- п₀)=0 (3.3)

3.4. В приложении находим ближайшее стандартное (n_ос) общее число трубок при а = n_ос

Таблица 4

Число труб при разбивке по шестиугольникам для трубчатых теплообменников

Число шестиугольников (а)	Число труб
	По диагонали	Общее без учёта сегментов	Общее в аппарате noc
1	3	7	7
2	5	19	19
3	7	37	37
4	9	61	61
5	11	91	91
6	13	127	127
7	15	169	187

3.5. Количество трубок, попавших под перегородки при диагональном размещении последних n_пер= а=6.

3.6. Фактическое общее количество трубок (n_оф):

n_оф = n_ос - n_пер = (3.4)

3.7. Рассчитываем внутренний диаметр корпуса теплообменника

D =1,15·₁·d_н·n_оф^0,5 = м (3.5)

где ₁= 1,40…1,65 - коэффициент, учитывающий шаг размещения трубок.

3.8. Определяем толщину стенки корпуса д_к:

м (3.6)

где [у] = 80 МПа - среднее допустимое напряжение при деформации растяжения стенок корпуса.

₂ = 0,75 - коэффициент ослабления корпуса за счёт сварного шва.

3.9. Наружный диаметр D_н корпуса аппарата, который включает в себя два барабана:

D_н =D+2д_к = м (3.7)

3.10. Общая длина каждого барабана пастеризатора с учётом длин торцовых крышек (L):

L=l+2·0,15·l = м (3.8)

3.11. Проверяем конструктивное соотношение по устойчивости для корпуса (барабана).

L/ D_{H =} ? 10 (3.9)

3.12. Рассчитываем диаметры патрубков в теплообменнике по формулам из уравнения расхода:

- для подачи и отвода продукта

м (3.10)

- для подачи греющего пара

м (3.11)

где х_п - скорость движения пара, принимается 30 м/с;

-для отвода конденсата

м (3.12)

где х_к - скорость движения конденсата (принимается равной от 1…2 м/с).

4. Изоляционный расчёт

Цель расчёта - определение оптимальной толщины слоя изоляционного материала. По Правилам противопожарной безопасности температура наружной поверхности корпуса не должна превышать значения t₂ = 40°С. По нормам БЖД температура воздуха в цехе в среднем должна составлять t_в = 22°С.

Толщина слоя тепловой изоляции должна быть такой, чтобы потери тепла, происходящие в результате конвекции и лучеиспускания, были минимальными и не превышали 5% от тепла, поступающего с греющим паром, что соответствует технико-экономическим требованиям, предъявляемым к тепловому оборудованию. Расчёты показывают, что в большинстве случаев теплопотери существенно менее 5% процентов от поступившего тепла.

В качестве изоляционного материала выбираем либо совелит, либо асбозурит или другие материалы, имеющие относительно низкие значения коэффициентов теплопроводности ₂. Наружная поверхность изоляции будет покрашена масляной краской светлых тонов слоем толщиной д₃ =1 мм с ₃= 0,233 Вт/(м·К).

4.1. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи (а_к) конвекцией при свободном движении газов (воздуха) от наружной поверхности изоляции к воздуху в цехе. С этой целью решаем критериальное уравнение Нуссельта (в первом приближении - для турбулентного режима).

Nu = 0,15·(Gr·Pr)^0,333 (4.1)

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи конвекцией.

Gr - критерий Грасгофа, характеризующий подъёмную силу при конвекции воздушных потоков.

Рr - критерий Прандтля, характеризующий физические свойства воздуха.



= (4.2)

где l - определяющий линейный размер для потока воздуха. Для горизонтального двухбарабанного пастеризатора (теплообменника)

l = 2· D_н =м (4.3)

в - коэффициент температурного расширения воздуха, 1/°С:

1/°С (4.4)

?t - средний температурный напор между поверхностью и воздухом.

?t= t₂ - t_в =°С (4.5)

- кинематический коэффициент вязкости воздуха при t_в, м² / с.

По таблице физических свойств воздуха в Приложении при t_в находим значение Рr. Вычисляем произведение (Gr·Рr). Если (Gr·Рr) > 1·10⁹,то имеет место турбулентный режим движения воздуха. В этом случае используют критериальное уравнение Нуссельта вида:

Nu = 0,54·(Gr·Pr)^{0,25 =} (4.6)

при этом зная величину Nu определяем а_к



(4.7)

откуда коэффициент теплоотдачи конвекцией (а_к):

Вт/(м²·К) (4.8)

4.3. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи лучеиспускание (б_л) от наружной поверхности пастеризатора.

Действительная константа лучеиспускания (С) при е = 0,86:

С = 4,96·е= (4.9)

Температурный коэффициент (в):

(4.10)

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием б_л

б_л = с·в= Вт/м² ·К (4.11)

4.4. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи (б, Вт/м² ·К)

б = б_к + б_{л =} Вт/м² ·К (4.12)

4.5. Средняя разность температур греющего пара и воздуха в цехе.

t_cp = t_n - t_в = (4.13)

4.6. Удельные потери теплоты в окружающую среду (q), Вт/м²:

q = б·(t₂ - t_в) = Вт/м² (4.14)

4.7. Коэффициент теплоотдачи от пара к воздуху (К)

K = q/t_cp = (4.15)

4.8. Рассчитываем толщину слоя изоляции (д₂)

М (4.16)

5. Расчёт теплопотерь

5.1. Определяем изолированную суммарную боковую поверхность двухбарабанного пастеризатора (F_бок).

F_бок =р·(D_н +2·д_из)·L= (5.1)

5.2. Определяем изолированную суммарную торцевую поверхность двухбарабанного пастеризатора (F_тop).

F_тор =2·р·(D_н² /4) = (5.2)

нагревательный изоляционный теплота жидкость

5.3. Определяем потери теплоты с изолированной поверхности пастеризатора (Q^из_пот).

Q^из_пот =q·(F_бок+ F_тор) = Вт (5.3)

5.4. Коэффициент теплоотдачи от неизолированной поверхности

б_н = 9,74 + 0,07·?t = Вт/м² ·К (5.4)

5.5. Определяем потери теплоты с неизолированной поверхности пастеризатора (Q^н_пот).

Q^н_пот= б_н· F_тор ·(t₂ - t_в)= Вт (5.5)

5.6. Суммарные потери теплоты со всей поверхности теплообменника

Q_пот= Q^из_пот +Q^н_пот = Вт (5.6)

5.7. Относительные потери теплоты составляют (Q_отн)

Q_отн=Q_пот/Q = % (5.7)

Соотношение Q_отн =1,955% 5% выполнено.



Библиографический список

1. Еренгалиев А.Е. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств/ А.Е. Еренгалиев, С.Л. Масленников, А.К. Какимов, Н.О. Тусипов (Учебное пособие). Семей: СГУ имени Шакарима, 2008. 208 с.

2. Круглов Г. А. Теплотехника: Учебное пособие. 2-е изд., стер./ Г. А.Круглов, Р. И. Булгакова, Е. С. Круглова. СПб.: Издательство «Лань», 2012. 208 с: ил. (Учебники для вузов. Специальная литература) [ЭБС Лань].

3. Круглов, Г.А.Теплотехника: учеб. пособие для студ. вузов по напр. "Агроинженерия". СПб.: Лань, 2010. 208 с. [ЭБС Лань].

4. Кудинов В.А. Теплотехника: Учебное пособие / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, Е.В. Стефанюк. М.: КУРС: НИЦ ИНФРА-М, 2015. 424 с. [ЭБС ИНФРА-М].

5. Лисицин П.А. Современное технологическое оборудование для тепловой обработки молока и молочных продуктов. СПб.: ГИОРД, 2009.

6. Петухов, Н.А. Краткий курс теплотехники / Новосиб.гос. аграр. ун-т; Инж.ин-т. Новосибирск, 2007. 231 с.

7. Тепломассообмен: Учебное пособие / А.А. Кудинов. М.: ИНФРА-М, 2012. 375 с. [ЭБС ИНФРА-М].



Таблица 3

Физические свойства теплоизоляционных материалов

Наименование материала	Плотность, с, кг/м3	Теплопроводность, л, Вт/м·К	Предельная температура применения, °С
Асбозурит Д	650	0,186	900
Асбозурит ДИ	450	0,093	600
Асбозурит Т	850	0,23	900
Вата стеклянная	130	0,0505	450
Войлок отеплённый	90	0,052	90
Минеральная вата	200	0,058	600
Новоасбозурит- 600	600	0,145	600
Полихлорвинил	100	0,058	70
Пеностекло	300	0,082	300
Совелит	500	0,1	450
Шлак котельный	850	0,24	50

Таблица 8

Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении

t, oC	с кг/м3	с, кДж/кг·К	л·10-2 Вт/м·К	м·10-6, Па·с	н·10-6, м2/с	Рr
0	1,293	1,005	2,44	17,17	13,28	0,707
10	1,247	1,005	2,51	17,66	14,16	0,705
20	1,205	1,005	2,59	18,15	15,06	0,703
30	1,165	1,005	2,67	18,64	16	0,701
40	1,128	1,005	2,76	19,13	16,96	0,699
50	1,093	1,005	2,83	19,62	17,95	0,698
60	1,06	1,005	2,89	20,11	18,97	0,696
70	1,029	1,009	2,96	20,6	20,02	0,694
80	1,000	1,009	3,05	21,09	21,09	0,692
90	0,972	1,009	3,13	21,48	22,1	0,69

Таблица 5

Основные физические свойства воды

t, єC	с, кг/м3	с, кДж/(кг·К)	л, Вт/(м·К)	м·10-6, Па·с	н·10-6, м2/с	Pr
0	999,8	4,24	0,551	1788,5	1,79	13,7
5	999,7	4,228	0,563	1528,8	1.540	11,3
10	998,9	4,211	0,586	1127	1.100	8,15
15	998,55	4,209	0,5925	1063,3	1,05	7,605
20	998,2	4.207	0,599	999,6	1.000	7,06
25	996,9	4.207	0,608	896,7	0.910	6,2
30	995,6	4,203	0,618	800,7	0,805	5,5
35	993,9	4,203	0,626	715,4	0,72	4,85
40	992,2	4,203	0,634	652,7	0,659	4,3
45	990,1	4,203	0,641	602,7	0,615	3,9
50	988	4,203	0,648	548,8	0,556	3,56
55	985,6	4,203	0,654	504,7	0,515	3,25
60	983,2	4,207	0,659	470,4	0,479	3
65	980,5	4,211	0,664	436,1	0,445	2,75
70	977,7	4,215	0,668	405,7	0,413	2,56
75	974,8	4,215	0,671	377,3	0,385	2,35
80	971,8	4,219	0,675	355,7	0,366	2,23
85	968,5	4,224	0,678	347,9	0,347	2,1
90	965,3	4,228	0,68	314,6	0,326	1,95
95	961,8	4,23	0,6815	298,4	0,3105	1,85
100	958,3	4,232	0,683	282,2	0,295	1,75

Размещено на Allbest.ru

...