Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок та проектування горизонтального кожухотрубного теплообмінника
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет харчових технологій
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра процесів і апаратів харчових виробництв
Інформація про роботу
Рік:
2007
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Процеси і апарати хімічних технологій
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Кафедра процесів і апаратів
харчових виробництв
РОЗРАХУНКОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсового проекту
на тему:
«Розрахунок та проектування
горизонтального кожухотрубного теплообмінника»
НУХТ 2007
Зміст
Вступ. 4
1. Описання проектованого апарата. 5
2. Місце і призначення кожухотрубного теплообмінника
в технологічній схемі. 11
3. Розрахунки. 13
3.1. Тепловий розрахунок. 13
3.1.1. Визначення температурних умов нагріву. 13
3.1.2. Теплофізичні властивості цукрового розчину. 14
3.1.3. Теплове навантаження і витрати пари. 14
3.1.4. Розрахунок коефіцієнта теплопередачі. 15
3.1.5 Визначення площі поверхні теплопередачі. 16
3.2. Конструкційний розрахунок. 17
3.3. Гідравлічний розрахунок теплообмінника. 19
3.3.1. Підбір додаткового обладнання. 20
3.4. Механічний розрахунок. 21
3.5. Визначення товщини теплової ізоляції. 22
4. Умови безпечної експлуатації спроектованого горизонтального кожухотрубного теплообмінника і питання екології. 23
Література 25
Вступ
Теплообмінниками називають апарати, які призначені для передачі тепла від більш нагрітого теплоносія до менш нагрітого теплоносія.
Теплообмін застосовують для здійснення різних технологічних процесів: нагрівання, охолодження, конденсації та випаровування.
Всі теплообмінники залежно від способу передачі тепла поділяють на дві групи [1-3]:
Поверхневі теплообмінник – перенесення тепла між середовищами відбувається через стінку, яка їх розділює;
До поверхневих теплообмінників відносяться: трубчаті (кожухотрубні, типу «труба в трубі», зрошувальні); пластинчаті, спіральні, апарати з сорочками, з оребреною поверхнею теплообміну.
Теплообмінники змішування – тепло від одного середовища до іншого передається під час їхнього безпосереднього контакту.
3) Регенеративні теплообмінники використовують рідко, тепло в них рідині передається від попередньо нагрітих твердих тіл (насадки).
Вибір матеріалу для виготовлення апаратів теплообміну зумовлений його корозійною стійкістю, теплопровідністю, особливістю конструкції апарату. Найчастіше в харчовій промисловості застосовують звичайну конструкційну (вуглецеву) сталь [7], леговані сталі, мідь, титан, тантал, графіт, тефлон тощо.
Конструкція апарату повинна відповідати певним вимогам: простота і зручність монтажу та ремонту, забезпечення меншої забрудненості поверхонь теплообміну, доступність для огляду і ремонту.
1. Описання проектованого апарата
Кожухотрубні теплообмінники
Цей тип поверхневих теплообмінників найчастіше використовується у харчовій промисловості [1, 7]. Схему одноходового теплообмінника показано на рис. 1.
Рис. 1. Кожухотрубний одноходовий теплообмінник:
1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки
Одноходовий кожухотрубний теплообмінник жорсткої конструкції містить корпус або кожух 1 з привареними до нього трубними решітками 2, в яких закріплений пучок труб 3. До трубних решіток на болтах і прокладках кріпляться кришки 4. Одне із середовищ, які обмінюються теплом рухається трубним простором, а інша - трубним простором. Середовища здебільшого направлені протитоком одне до другого. Вибір напряму руху кожного із середовищ обумовлений напрямом, у якому вони прагнуть рухатися під впливом зміни їх густин під час нагрівання або охолодження. Тобто середовище, яке підлягає нагріванню направляють знизу вверх, а те що віддає тепло – у протилежному напряму. За таких умов досягають рівномірнішого розподілу швидкостей. Інакше, більш нагріта частина рідини, як більш легка буде накопичуватись у верхній частині апарату, утворюючи застійні зони.
Труби в решітках рівномірно розміщені по периметрах правильних шестикутників (рис. 2а), по концентричних колах (рис. 2б) або по периметрах прямокутників (рис. 2в) коли необхідно забезпечити зручну очистку зовнішньої поверхні труб. Найбільша компактність розміщення необхідної поверхні теплообміну в середині апарата досягається у разі розміщення труб по периметрах правильних шестикутників.
Рис. 2. Способи розміщення труб у теплообміннику:
а – по периметрах правильних шестикутників; б – по концентричних колах; в – по периметрах прямокутників (коридорне розміщення).
Труби закріпляють в решітках найчастіше розвальцьовуванням (рис. 3а, б). Для роботи апарату за підвищених тисків необхідно забезпечити особливо міцне з‘єднання, що досягається у разі розміщення у трубних решітках отворів з кільцевими каналами, які заповнюють металом труби під час її розвальцьовування (рис. 3б). Якщо матеріал труби не піддається витягуванню и припустиме жорстке з‘єднання труб з трубною решіткою, то їх закріплення здійснюють зварюванням (рис.3.3 в). Для з‘єднання мідних та латунних труб використовують припаювання (рис. 3г). За необхідності зменшення температурної деформації труб а також для можливості їхнього поздовжнього переміщення і швидкої заміни труби з‘єднують з решіткою сальниками (рис. 3д). Однак таке з‘єднання є складним дорогим та ненадійним, тому використовується рідко.
Рис. 3. Кріплення труб в трубних решітках: а – розвальцьовуванням; б – розвальцьовування з каналами; в – зварюванням; г – припаюванням; д – сальниковими пристроями.
У разі невеликих витрат рідини її швидкість в трубах одноходових теплообмінників є низькою, а коефіцієнти тепловіддачі – невеликі. Цього можна уникнути зменшенням діаметра труб і збільшенням їх довжини. Однак такі теплообмінники (невеликого діаметра і значної висоти) не зручні для монтажу, потребують високих приміщень і підвищеної витрати металу для виготовлення кожуха апарата (деталей, що безпосередньо не задіяні у теплообміні). У цьому випадку доцільніше збільшувати швидкість теплообміну застосуванням багатоходових теплообмінників.
Схема багатоходового теплообмінника показана на рис. 4. Від одноходового теплообмінника ця конструкція відрізняється тим, що труби розділені на секції поперечними перегородками 5, встановленими в кришках теплообмінника. Розбиття на ходи, якими послідовно рухається рідина, що протікає у трубному просторі теплообмінника здійснюють таким чином, щоб у всіх секціях знаходилась приблизно однакова кількість труб. Через те, що площа сумарного поперечного перерізу труб розміщених у одній секції є меншою ніж поперечний переріз всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (відносно до швидкості у одноходовому теплообміннику ) в кількість разів, що дорівнює кількості ходів. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища у між трубному просторі призначені сегментні перегородки 6, які в горизонтальних теплообмінниках є й проміжними опорами для пучка труб.
Рис. 4. Кожухотрубний багатоходовий теплообмінник:
1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки; 5 – перегородки в кришках; 6 – перегородки у міжтрубному просторі.
Однак підвищення інтенсивності теплообміну у багатоходових теплообмінниках супроводжується зростанням гідравлічного опору та ускладненням їх конструкції. Тому доцільно використовувати 5-6-ходові апарати.
У верхній частині кожуха теплообмінників встановлюють продувні крани для періодичного видалення повітря та інших газів, що не конденсуються і спричиняють погіршення теплообміну.
Одноходові та багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними або горизонтальними. Простішими у експлуатації і компактнішими є вертикальні апарати. Горизонтальні теплообмінники здебільшого багатоходові і забезпечують більшу швидкість середовищ, що задіяні у теплообміні, для того щоб мінімізувати розшаровування рідин внаслідок різниці їх густин і температур, а також уникнути утворення застійних зон.
Для уникнення неоднакового подовження труб і кожуха, значної напруги в трубних решітках, порушення щільності з‘єднання труб з решітками, руйнування зварних швів змішування середовищ, які обмінюються теплом, що є наслідком різниці температур між трубами і кожухом більшої ніж 500С, використовують кожухотрубні теплообмінники з лінзовим компенсатором 1 (рис. 5 а), який піддається пружній деформації. Така конструкція придатна для експлуатації за невеликих надлишкових тисків у між трубному просторі, що не перевищують 6 атм.
За необхідності забезпечення великих зміщень труб і кожуха використовують теплообмінник з плаваючою головкою (рис. 5б), в якому рухома нижня трубна решітка 2 дає змогу вільно переміщатись не залежно від корпуса апарата у всьому пучку труб. Однак така конструкція є складною і громіздкою. Простішою і менш метало ємною конструкцією апарата є кохухотрубний теплообмінник з U- подібними трубами (рис. 5в), в якому труби 3 виконують функцію компенсуючих пристроїв. Ці теплообмінники є зручними під час обслуговування, а у двох- та багатоходових досягають інтенсивного теплообміну. До недоліків цих теплообмінників належать: складність очищення внутрішньої поверхні труб та складність розміщення великої кількості труб у трубній решітці.
Рис. 5. Кожухотрубні теплообмінники з компенсуючими механізмами:
а – з лінзовим компенсатором; б – з плаваючою головкою; в – з U- подібними трубами;
1 – компенсатор; 2 – рухома трубна решітка; 3 - U- подібні труби
Під дією температури труби можуть подовжуватись не залежно від корпуса апарата у теплообмінниках з подвійними трубами (рис. 6), в яких з однієї сторони апарата розміщені дві трубні решітки.
В решітці 1 закріплений пучок труб 2 з меншим діаметром, відкритих з двох кінців, а в решітці 3 – труби 4 з більшим діаметром і закритими кінцями з лівого боку, встановлені концентрично відносно до труб 2. Середовище І рухається кільцевим простором між трубами 2 і 4 і виводиться з між трубного простору апарата по трубах 2. Середовище ІІ рухається зверху вниз між трубним простором теплообмінника, і омиває труби 4 ззовні.
Рис. 6. Кожухотрубний теплообмінник з подвійними трубами:
1, 3 – трубна решітка; 2 – внутрішні труби; 4 – зовнішні труби.
3. Розрахунки
Визначаємо витрату розчину цукру:
G=5000/3600=1,38кг/с
3.1. Тепловий розрахунок
3.1.1. Визначення температурних умов нагріву.
Середню рушійну силу визначають як середньо логарифмічну різницю (якщо (tб/(tм>2):
(1)
За відношення різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника (tб/(tм<2:
(2)
, - різниці температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника:
0С ;
0С
tp – температура насиченої пари за тиску Р=0,32 МПа. tp=136 0С [4].
33/16>2, тому
0С
Середня температура цукрового розчину:
0С
3.1.2. Теплофізичні властивості цукрового розчину.
Визначаємо теплофізичні параметри цукрового розчину при 0С та концентрації Б=16%:
густина цукрового розчину [4]:
(3)
кг/м3;
теплопровідність цукрового розчину [4]:
(4)
Вт/м.К – теплопровідність води при температурі 0С (табл. Д10) [4]:
К=0,914 (при Б=16%) (табл. Д3) [3].
Вт/м.К;
теплоємність [4]:
(5)
Дж/кг.К;
в‘язкість:
Па.с (табл. Д4) [4].
3.1.3. Теплове навантаження і витрати пари.
Теплове навантаження з врахуванням теплових втрат:
(6)
Вт
Витрата пари:
(7)
I – ентальпія нагрівної пари I=2728 кДж/кг;
I – ентальпіяконденсату кДж/кг;
кг/с
3.1.4. Розрахунок коефіцієнта теплопередачі.
Для визначення коефіцієнта теплопередачі К необхідно попередньо розрахувати коефіцієнти тепловіддачі середовищ з обох боків стінки, а також її термічний опір, на якій під час роботи апарату утворюється шар забруднень. Термічний опір стінки і забруднень знаходять залежно від товщини стінки і товщини шару забруднень (за практичними даними), а також від значень коефіцієнтів теплопровідності матеріалу стінки і забруднень.
У разі перенесення тепла через плоску стінку або тонку циліндричну, то К0 визначають за рівнянням:
(8)
де - сума термічних опорів стінки і забруднень.
- коефіцієнт тепловіддачі від гріючої пари до стінки, Вт/м2.К;
- коефіцієнт тепловіддачі від стінки до розчину цукру, Вт/м2.К;
Коефіцієнт тепловіддачі визначають із критерію Нуссельта, який в свою чергу залежить від режиму руху.
Визначаємо значення критерію Рейнольда, що вказує на режим руху:
- рух турбулентний, отже
(9)
Визначаємо критерій Прандтля для розчину цукру:
;
Отже, Вт/м2.К.
Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від гріючої пари до стінки згідно залежності:
(10)
0С
А=192,8 при температурі плівки конденсату 135,75 0С.
Вт/м2.К.
Вт/м2.К
Вт/м2.К
3.1.5 Визначення площі поверхні теплопередачі
Площа поверхні нагрівання теплообмінника визначається згідно формули:
(11)
м
3.2. Конструкційний розрахунок
Площа прохідного перерізу трубок одного ходу:
(12)
м2
Звідси, число трубок одного ходу:
(13)
Розрахункова довжина всіх ходів:
(14)
м
Кількість ходів трубного простору:
(15)
; приймаємо z=1
Загальна кількість трубок, що розміщуються на трубних решітках:
(16)
Труби розміщують по периметру правильних шестикутників, тому:
(17)
Приймаємо а=4,9, тобто а=5;
Кількість труб розміщених по діагоналі шестикутника:
(18)
Згідно табл. 5.6. [5] вибираємо:
- число труб розміщених на площі найбільшого шестикутника 61;
- число труб по стороні шестикутника а=5;
- число труб по діагоналі b=9.
Крок розміщення труб при зварюванні:
(19)
м
Діаметр теплообмінника визначаємо із співвідношення:
(20)
м
Розраховане значення діаметра теплообмінника заокруглюєм до найближчого розміру діаметру рекомендованого ГОСТом. Згідно ГОСТ 15118-79 [6] приймаємо одноходовий кожухотрубний теплообмінник з діаметром кожуха 0,325 м, діаметром труб 25x2мм, числом труб 62 шт, поверхнею теплообміну 19,5 м2 при довжині труб 4 м. Площа найвужчого січення потоку в міжтрубному просторі 0,013 м2, площа січення одного ходу по трубах 0,021 м2.
Діаметри патрубків (штуцерів) визначаємо:
- для розчину цукру:
м;
Приймаємо стандартизований діаметр патрубка (штуцера) 165 мм.
Визначаємо швидкість руху цукрового розчину в найвужчому січенні міжтрубного простору:
м/с
Визначаємо швидкість руху цукрового розчину в штуцерах:
м/с
для пари:
м
кг/м3 – густина пари при температурі 136 0С.
Приймаємо стандартизований діаметр патрубка (штуцера) 150 мм.
Визначаємо швидкість руху пари в штуцерах:
м/с
3.3. Гідравлічний розрахунок теплообмінника
В міжтрубному просторі рухається розчин цукру. Знаходимо гідравлічний опір між трубного простору:
(21)
х - число сегментних перегородок; Згідно табл. 11.9. [6] вибираємо число сегментних перегородок в нормалізованих кожухотрубних теплообмінниках. При діаметрі кожуха D=325 мм при довжині труб 4 м х=18.
m - число рядів труб, що омивається теплоносієм у між трубному просторі, приймаємо m=5.
Визначаємо гідравлічний опір трубного простору (рухається пара):
(22)
=
де
3.3.1. Підбір додаткового обладнання
Підбір вентилятора для переміщення пари.
Потужність, потрібну для переміщення пари через апарат визначають:
Вт
Вибираємо [6] відцентровий вентилятор марки В-Ц14-46-5К-02 з наступними характеристиками:
Продуктивність 3,67 м3/с ККД=0,71. Вентилятор має електродвигун АО2-61-4 номінальною потужністю 13 кВт, , з частотою обертання валу 24,1 1/с.
Підбір насосу для переміщення розчину цукру.
Потужність, потрібну для переміщення розчину цукру через апарат визначають:
Вт
Об‘ємна витрата розчину цукру:
55000/3600/1036,16=0,0147 м3/с
Вибираємо насос [6] марки Х90/19 продуктивністю 2,5.10-2м3, ККД=0,71 з електродвигуном АО2-51-2 потужністю 10 кВт, , з частотою обертання валу 48,3 1/с.
3.4. Механічний розрахунок
Матеріал обичайки сталь марки Х18Н10Т. Вибір матеріалу апарата та його окремих робочих елементів зумовлений не агресивністю середовища (цукрового розчину) та незначною агресивністю (можливість корозії), санітарно-гігієнічними вимогами виробництва. водяної пари.
Визначаємо товщину обичайки апарату з врахуванням запасу на корозію та заокруглення [6]:
(23)
- допустиме напруження на розтяг для матеріалу обичайки, МН/м2. Згідно графіка [6] для сталі марки Х18Н10Т при температурі 136 0С =145 МН/м2;
- коефіцієнт, що враховує ослаблення обичайки через наявність зварного шва та неукріплених отворів. =0,95 для зварного двостороннього шва;
Ск - запас на корозію Ск= 1 мм.
Для горизонтального кожухотрубного теплообмінника вибираємо опори, які жорстко з‘єднані з апаратом.
3.5. Визначення товщини теплової ізоляції
Теплова ізоляція – один з основних факторів, які зменшують втрати теплоти і зберігають паливо.
Товщина ізоляції повинна бути такою, щоб температура на її поверхні була не більшою за 50 0С.
Товщину ізоляції обчислюють за рівнянням:
(24)
- теплопровідність ізоляційного матеріалу. (для азбесту ).
ta, ti, tп – температура, відповідно, в апараті, на поверхні ізоляції і повітря, що оточує апарат 0С; - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, Вт/м2.К;
Вт/м2.К
м
4. Умови безпечної експлуатації спроектованого горизонтального кожухотрубного теплообмінника
і питання екології
Спроектований кожухотрубний теплообмінник призначений для нагрівання цукрового розчину до температури 120 0С, після чого він подається у випарну установку. Цукровий розчин у теплообміннику нагрівається за допомогою гарячого теплоносія, а саме насиченої пари, яка поступає в теплообмінник з температурою tp=136 0С за тиску Р=0,32 МПа. Для безпечної експлуатації апарату при заданих тиску, температурі, швидкості корозії розраховувались товщина стінки апарату, що забезпечує його щільність та надійність, вибирались кришки, опори, фланці. Був здійснений розрахунок товщини теплової ізоляції.
Оскільки розчин цукру є харчовим продуктом, а насичена водяна пара є екологічно чистим теплоносієм, то середовища в теплообмінному апараті є нетоксичними, неагресивними та не є вибухонебезпечними. Вагомого шкідливого впливу на довкілля при роботі з таким продуктом не відзначається.
В технологічній схемі виробництва цукру передбачено контролювання витрати, тиску, температури технологічних потоків за допомогою контрольно-вимірювальних приладів (КІП).
Схема виробництва є автоматизованою: Система управління випарною установкою повинна забезпечити необхідну продуктивність установки при заданій концентрації кінцевого продукту. Тому, основними параметрами, які слід регулювати є 1) концентрація готового продукту; 2) температура вихідного розчину після теплообмінника 12 перед подачею його у випарний апарат; 3) рівень у випарному апараті.
Система автоматичного регулювання повинна забезпечити регулювання встановленої подачі розчину в вертикальний кожухотрубний теплообмінник 12 (проектований апарат). При збільшенні, наприклад, подачі вихідного розчину в теплообмінник 12 зменшиться температура розчину після його виходу з нього, збільшиться рівень рідини у випарному апараті. Для стабілізації температури розчину в теплообміннику 12 регулятор температури повинен дати сигнал на збільшення витрати грічсючої пари в теплообмінник 12.
Висновок: Спроектований апарат можна використовувати в умовах заданого процесу, оскільки він відповідає всім технічним вимогам, що ставляться до теплообмінної апаратури.
Література
1. Процеси та апарати харчових виробництв. За редакцією І.Ф. Малежика. Київ, НУХТ, 2003, - 399с.
2. Касаткин А.Г. Основне процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973, - 750с.
3. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. –М.: Агропромиздат, 1987. - 239 с.
4. Методичні вказівки до виконання контрольних робіт для студентів технологічних спеціальностей. Київ УДУХТ 2000, - 47 с.
5. И.Л. Иоффе. Проектирование процессов и аппаратов химической технологи. Ленинград. «Химия», 1991, 351 с.
6. Основне процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. Москва, «Химия», 1983, 366 с.
7. Азрилевич М.Я. Технологическое оборудование сахарных заводов. М.: Пищ. Пром-сть, 1972. -312 с.; 3-е изд. – М.: Агропромиздат, 1986. – 320 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора