Курсовая работа - Расчет трубчатого теплообменника для пастеризации молока - файл n1.docx

Курсовая работа - Расчет трубчатого теплообменника для пастеризации молока
Скачать все файлы (177.4 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.docx178kb.09.01.2014 17:54скачать

n1.docx

  1   2
Содержание





Введение

5

1

Теоретическая часть. Теплообменные процессы

6

2

Технологическая схема установки и ее описание

8

3

Основные расчеты

9

3.1

Исходные данные для расчета

9

3.2

Гидродинамический расчет

9

3.3

Тепловой расчет

10

3.4

Конструктивный расчет

14

3.5

Изоляционный расчет

16

3.6

Расчет теплопотерь

18

3.7

Расчет насоса

19

3.8

Экономический расчет

21




Заключение

23




Список использованной литературы

24




Приложение А Технологическая схема трубчатого теплообменного аппарата

25



Введение


Любой технологический процесс, несмотря на различие методов, представляет собой ряд взаимосвязанных типовых технологических стадий, протекающих в аппаратуре определенного класса. Однако высокие требования к качеству продукции, эффективности производства, снижению его энерго- и материалоемкости, охране окружающей среды определяли специфику, отличающую эти технологические стадии получения пищевых продуктов и аппаратурно-технологическое оформление от подобных процессов в других отраслях народного хозяйства

Процессы в пищевой технологии в большинстве своем сложны и зачастую представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных, биохимических и механических процессов.

Технологический процесс в пищевой технологии необходимо анализировать, рассчитать его, определить оптимальные параметры, разработать и рассчитать аппаратуру для его проведения. В нем изучаются закономерности масштабного перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным. Знание этих закономерностей необходимо для проектирования и создания современных многоэтажных промышленных процессов пищевой технологии [1].

Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода называются тепловыми.

Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций, которое объясняется различным назначением аппаратов и условиями проведения процессов.

Классическим примером поверхностного теплообменного аппарата является трубчатый (кожухотрубный) теплообменник.

Рациональное и эффективное использование тепловой энергии является сегодня определяющим фактором в выборе стратегии технического и технологического перевооружения предприятий [2].

Качество, цена, надежность, экономичность и доступность сервисного обслуживания – вот те критерии, на которые ориентируется большинство организаций, принимающих решение о закупке необходимого оборудования. В этой связи не вызывает сомнений актуальность высококачественных теплообменных кожухотрубных аппаратов, находящих самое широкое применение в пищевой, нефтехимической, химической промышленности, энергетике.

Целью курсовой работы является изучение трубчатого теплообменного аппарата, технологического процесса пастеризации молока.

Задачей курсовой работы является расчет трубчатого теплообменника для пастеризации молока.

1 Теоретическая часть. Теплообменные процессы


К теплообменным относят такие технологические процессы, скорость которых определятся скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более горячего и менее нагретого тела.

Нагреванием называется процесс повышения температуры материалов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой технологии является нагревание горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром, топочными газами и электрическим током. Для этих целей применяются теплообменники различных конструкций [3].

Нагревание водой применяется для нагревания и пастеризации продуктов при температуре выше 100 0С. Для нагревания до температур выше 100 0С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением.

Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара; высоким коэффициентом теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке; равномерностью обогрева.

Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах сопротивления прямого и косвенного действия. В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через него электрического тока.

В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении

электрического тока по нагревательным элементам. Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвекцией.

Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективно испарение жидкостей происходит при кипении. Испарение в пищевой технологии используется для охлаждения и опреснения воды, концентрирования растворов, например сахарных, и для разделения жидких смесей. Испарение происходит в испарителях.

Аппараты, применяемые для опреснения воды, называются опреснителями, для повышения концентрации растворов – выпарными аппаратами.

Охлаждение – процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты.

Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 25 – 30 0С в пищевой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты - холодильные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид серы, жидкий азот [4].

Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды.

Конденсация – переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Процессы конденсации широко применяются в пищевой технологии для ожижения различных веществ.

Конденсацию можно проводить при отводе теплоты от конденсируемых веществ с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой, либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем – водой. В первом случае имеет место поверхностная конденсация, во втором – конденсация смешением.

Различают два вида передачи теплоты: простой и сложный, состоящий из простых. К простым тепловым процессам относят: теплопроводность, конвекцию, тепловое излучение.

Тепловые процессы реализуются в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплопроводность – перенос теплоты (внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой. Энергия беспорядочных тепловых колебаний молекул при этом передается от одного тела другому или от одной части тела другим его частям путем непосредственных соударений молекул.

Конвекция – это перенос теплоты в пространстве вместе с движущимися объемами газа или жидкости. Каждый движущийся объем среды в этом процессе никуда свою энергию не передаст, поток теплоты движется вместе с ним.

Тепловое излучение (тепловая радиация) – это явление переноса теплоты электромагнитными волнами. При этом происходит двойное преобразование энергии: вначале энергия теплового движения молекул преобразуется в энергию электромагнитного излучения, а затем происходит поглощение электромагнитного излучения другим телом и превращение ее в энергию теплового движения молекул. Воздух, через который передается тепловое излучение, практически не нагревается, т.е. он диатермичен [5].

Сложный тепловой процесс – это совокупность двух или более простых. Любой перенос теплоты в пространстве называют теплопереносом, а любой обмен теплотой между физическими телами – теплообменом.

На практике один вид теплопередачи сопровождается другим. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью происходит одновременно с теплопроводностью и теплоотдачей при конвективном переносе теплоты; в целом этот сложный процесс называют конвективным теплообменом между данными телами или теплоотдачей.

2 Технологическая схема установки и ее описание


Многотрубный теплообменник (приложение А) представляет собой пучок трубок помещенных в цилиндрической камере (кожухе), таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Концы трубок развальцованы в трубных решетках, чем обеспечивается герметичность межтрубного пространства. Сверху и снизу трубные решетки закрыты крышками, которые с помощью прокладок и фланцев герметично соединяются с решеткой и корпусом. Первый теплоноситель проходит по трубам, а второй подается в межтрубное пространство. В связи с большим объемом межтрубного пространства эта конструкция предназначена для подачи туда греющего пара. При этом пар подводится в верхней части аппарата через патрубок, а конденсат отводится из нижнего сечения через патрубок, расположенный ближе к трубной решетке [6].

По трубам целесообразно направлять жидкость, так как конструкция позволяет обеспечить необходимую скорость движения жидкого теплоносителя, пропуская его по части труб, объединенных в одном пучке. По одному пучку труб жидкость совершает один ход, а по другому – второй ход и т.д., реализуя многоходовый кожухотрубный аппарат. На практике число ходов в аппаратах, применяемых в пищевой промышленности, не превышает 20.

Кожухотрубные теплообменники характеризуются компактностью. В 1 м3 объема аппарата поверхность теплопередачи может достигать 200 м2.

Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах.

Корпус (кожух) кожухотрубного теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей.

Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной решеткой и крышками. К цилиндрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.

Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях [7].

Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов.

3 Основные расчеты


3.1 Исходные данные для расчета
Вид нагреваемого продукта молоко

Массовая производительность G,(т/ч) 5

Температура среды

начальная t1, (оС) 12

конечная t2, (оС) 85

Давление греющего пара, рп, (МПа) 0,140

Внутренний диаметр трубки, dв (мм) 28

Длина трубки, l (м) 2,0

Толщина стенки трубки, ? (мм) 2,5

Предварительное число ходов, zп 2

Число часов работы аппарата в сутки, ?, (ч) 14

Число рабочих дней в году, z0 260


3.2 Гидродинамический расчет
3.2.1. Определяем режим движения молока в нагревательных трубках при оптимальной технологической скорости w = 0,6 м/с
Re = (1)
где w – средняя скорость движения молока, м/с; м2/с;

d – внутренний диаметр нагревательных трубок, м;

v – кинематический коэффициент вязкости молока при средней температуре молока, м2/с.
tср = 0,5 · (t1 + t2) = 0,5 · (12 + 85) = 48,5
В таблице физических свойств молока при tср = 48,5 методом интерполяции определяем значение v.

При 45 0С v45 = 0,92·10-6 м/с. При 50 0С v50 = 0,84·10-6 м/с.

На интервал 5 0С приходится v5 = v45 – v50 = (0,92 – 0,84)·10-6 = = 0,08·10-6 м2/с.

На интервал 1 0С приходится v1 = 0,08 / 5 = 0,016.

На интервал 2 0С приходится v2 = 2 · 0,016 = 0,032.
v48,5 = v50 – v1,5 = 0,84 – 0,016 = 0,824·10-6 м2/с.
Re = = = 20388
Таким образом, в трубках имеет место развитый турбулентный режим.

Объемный расход молока
Vс = (2)
где ? – плотность молока при средней температуре tср = 48,5 0С. Значение ?48,5 определяем интерполяцией по табличным данным в интервале температур 45 – 50 0С.
?48,5 = 0,5 · (?45 + ?50) = 0,5 · (1018,8 + 1016,6) = 1017,7 кг/м3,
Vс = = 13,64·10-4 м3/с = 1,364 л/с
3.2.2. Рассчитываем число трубок в одном ходу теплообменника из уравнения постоянства расхода
Vc = w · , (3)
откуда

nx = = = 3,69 = 4


3.3 Тепловой расчет
3.3.1. Определяем необходимую тепловую нагрузку в аппарате:
Q = Gc · (t2 – t1) = · 3900 · (85 – 12) = 158,2 кВт,
где с – средняя удельная теплоемкость молока при tср = 48,5
С = 0,5 · (с45 + с50) = 0,5 · (3,914 + 3,893) = 3,9 кДж/кг·град
3.3.2. С другой стороны, эта же тепловая нагрузка, определяемая по основному уравнению теплопередачи, будет передана греющим паром через боковые поверхности всех трубок к молоку
Q = K · F · ∆tср, (4)
где К – коэффициент теплопередачи, Вт/м2·град;

F – площадь теплопередачи, м2;

∆t – средняя логарифмическая разность температур, 0С

3.3.3. Определяем среднюю логарифмическую разность температур ∆t
∆t = (5)
где ∆tб – большая разность температур пара и молока;

∆tм – меньшая разность температур пара и молока.
∆tб = tп – t1, (6)
∆tм = tп – t2, (7)
где tп – температура греющего пара, которую определяем по таблице свойств водяного насыщенного пара по величине заданного давления рп.

При рп = 1,4 атм = 0,14 МПа tп = 108,7 0С
∆tб = 108,7 – 12 = 96,7 0С,
∆tм = 108,7 – 85 = 23,7 0С,
∆t = = 51,9 0С
3.3.4. Коэффициент теплопередачи (К):
К = (8)
где ?1 – коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, Вт/м2·град;

?ст – толщина стенки трубки, ?ст = 2,5 мм;

��ст – коэффициент теплопроводности стенки. Для легированной стали пищевых марок в среднем ��ст = 25 Вт/м2·град;

?2 – коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки к молоку, Вт/м2·град.

Рассчитываем ?1
?1 = (9)
где с = 0,72 – коэффициент расположения для горизонтальных трубок, влияющий на интенсивность теплоотдачи;

b – коэффициент, учитывающий физические свойства пленки конденсата на наружной поверхности трубок;

При tп = 108,7 0С находим значение b путем интерполяции:

- при 100 0С b = 2,2·103,

- при 120 0С b = 2,3·103.

- на интервал 20 0С приходится b = 2,3·103 – 2,2·103 = 0,1·103

- на интервал 6,7 0С приходится b = (0.1·103 / 10)·8,7 = 0,087·103

При tп = 108,7 0С b = 2,2·103 + 0,067·103 = 2,267·103

r – теплота парообразования, определяемая путем интерполяции при tп = 108,7 0С r1/4 = 4,81;

L – длина контакта конденсата и трубки. Для горизонтальных трубок L = d = 0,03 м;

tcт – средняя температура стенки, 0С.
tст = 0,5 · (tп + tст) = 0,5 · (108,7 + 48,5) = 78,6 0С,
?1 = = 11503 Вт/м2·град
3.3.5. Рассчитываем ?2 из критериального уравнения Нуссельта для развитого турбулентного движения молока:
Nu = 0,021· Re0,8 · Pr0,43 ·(10)
где Pr – критерий Прандтля для молока при tср = 47,5 0С;

Prст – критерий Прандтля для молока в пристеночном слое, который характеризуется более высокой температурой при tст = 77 0С
Pr = (11)
где с,, определяем по таблице физических свойств молока при температуре 47,5 0С;

с = 3900 Дж/кг·град, = v · ? = 9,16·10-4 Па·с;

�� = 0,57 Вт/м2·град.
Pr = = 6,267
Аналогично определяем сст, ст, ��ст при 47,5 0С

с = 3850 Дж/кг·град, = v · ? = 5,9·10-4 Па·с, �� = 0,63 Вт/м2·град.
Pr = = 3,61
Вычисляем значение Nu
Nu = 0,021· 168920,8 · 6,2670,43 · = 128
Зная величину Nu, определяем ?2
?2 = Nu · = = 2605 Вт/м2·град
3.3.6. Определяем коэффициент теплопередачи К
К = = = 1758 Вт/м2·град
3.3.7. Рассчитываем площадь F из основного уравнения теплопередачи:
F = = = 1,75 м2
Принимаем F = 2,0 м2.

3.3.8. Фактическая площадь теплопередачи с учетом коэффициента использования поверхности нагрева = 0,8 составит:
Fф = = = 2,5 м2
3.3.9. Определяем фактическое число ходов теплообменнике zф
zф = = = 1,777
Принимаем zф = 2.

3.3.10. Общее предварительное число трубок
n0 = nx · zф = 4 · 2 = 8
3.3.11.Определяем массовый расход греющего пара Gn
Gn = (12)
где i? = 2693 кДж/кг – энтальпия греющего пара;

i? = 456,3 кДж/кг – энтальпия конденсата.
Gn = = 0,071 кг/с,
dn = Gn/G = 0,071/0,5555 = 0,127 кг/с.

  1   2
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации