Курсовий проект - Проект теплообмінника типу труба в трубі для охолодження бульйону - файл ???????????? ???????.doc

Курсовий проект - Проект теплообмінника типу труба в трубі для охолодження бульйону
скачать (111.3 kb.)
Доступные файлы (4):
n1.frw
n2.frw
??????????.frw
???????????? ???????.doc354kb.17.03.2011 18:01скачать

???????????? ???????.doc

Міністерство освіти і науки України

Кафедра процесів і апаратів

харчових виробництв

та технології консервування
Розрахунково – пояснювальна записка
до курсового проекту на тему
« Проект теплообмінника типу «труба в трубі» для

охолоджування бульйону »

Київ НУХТ 2010

Зміст

  1. Вступ…………………………………………………….......4

  2. Описання проектованого апарата………………………….6

  3. Місце і призначення апарата в технологічній схемі……...8

  4. Розрахунки

    1. Тепловий розрахунок………………………………...10

    2. Конструктивний розрахунок………………………...14

    3. Гідравлічний розрахунок…………………………….16

    4. Розрахунок теплової ізоляції………………………...18

  5. Техніко-економічні показники роботи апарата………….19

  6. Розрахунок оптимального режиму і конструкції апарата……………………………………………………...20

  7. Умови безпечної експлуатації апарата і питання екології……………………………………………………..22

  8. Література………………………………………………….25




Вступ
Температура є одним з найважливіших технологічних та економічних факторів більшості промислових виробництв. Підтримання у апаратах необхідної температури майже завжди поєдну­ється з необхідністю підводу, або відводу тепла з метою на­грівання або охолодження речовин, які обробляються. В усіх цих випадках, як наслідок, необхідно виконати перенос тепла із одно­го місця виробництва в інше — від теплоносіїв до речовин, що нагріваються, від речовин, що охолоджуються до холодоагентів, від однієї частини тіла до іншої його частини. Процес переносу тепла називається теплообміном, його рушійною силою є різниця температур. Перенос тепла здійснюється трьома різними способами: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Кожний з цих способів має свої закономірності, які складають предмет теорії теплопередачі.

До теплових процесів належать нагрівання, охолодження, конденсація, випаровування. Нагрівання — підвищення темпера­тури матеріалів, що переробляються, шляхом підводу до них теп­ла. Охолодження — зниження температури матеріалів, що пере­робляються, шляхом відводу від них тепла. Конденсація — зрі­дження пари будь-яких речей шляхом відводу від них тепла. Ви­паровування — перевід у газоподібний стан якої-небудь рідини шляхом підводу до неї тепла.

Таким чином, у теплових процесах взаємодіють не менше, ніж два середовища з різними температурами.

Основна характеристика будь-якого теплового процесу - кі­лькість

тепла, що передається: від цієї величини залежать розміри теплообмінних апаратів. Основним розміром теплообмінного апарата є теплопередача поверхні (поверхня теплообміну).


Описання проектованого апарата

Теплообмінник типу «труба в трубі» належить до поверхневих. В таких теплообмінниках обидва теплоносії відокремлені один від одного твердою стінкою, яка бере участь в процесі теплообміну й утворює так звану поверхню теплообміну (поверхню нагріву).

Теплообмінник типу «труба в трубі» належить також до рекуперативних. В ньому один бік поверхні теплообміну весь час омиває гарячий теплоносій, а другий – холодний. Теплота від одного теплоносія до другого передається крізь стінку з теплопровідного матеріалу, що їх розділяє. Напрямок теплового процесу в стінці лишається незмінним.

Теплообмінник типу «труба в трубі» належить до протитечій них, тобто обидва теплоносії рухаються в протилежних напрямках назустріч один одному.

Теплообмінник типу «труба в трубі» складається з кількох послідовно з`єднаних елементів, утворених двома концентрично розміщеними трубами. Один теплоносій рухається у внутрішніх трубах, а другий – у кільцевому зазорі між внутрішніми і зовнішніми трубами. Внутрішні труби окремих елементів з`єднані послідовно колінами, а зовнішні патрубками. Завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках «труба в трубі» досягають високих швидкостей руху теплоносіїв і високої інтенсивності теплообміну. Проте ці теплообмінники дуже громіздкі та металомісткі. Тому їх використовують лише при малих об`ємних витратах теплоносія і незначних поверхнях теплообміну.


При значних кількосях теплоносіїв теплообмінник складають з

декількох паралельних секцій, що приєднуються до загальних колекторів.

Переваги теплообмінників "труба в трубі":

- високий коефіцієнт теплопередачі в наслідок великої швидкості
обох теплоносіїв;

- простота виготовлення.

Недоліки цих теплообмінників:

- громіздкість;

- висока вартість зважаючи на велику витрату металу на зовнішні
труби, що не беруть участь в теплообміні;

- складність очищення міжтрубного простору.

Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі

Теплообмінник типу «труба в трубі» використовується в процесі згущення продуктів, що є підготовчим етапом перед висушуванням бульйону.

Процес згущення протікає наступним чином:

Бульйон всмоктується у вирівнюючий бак 1 і з нього насосом 2 подається через фільтри 3 в теплообмінник типу «труба в трубі» 4.

Із теплообмінника нагрітий бульйон подається в паровідділювач 5 циклонного типу. Звільнений від вторинної пари бульйон стікає по скляному трубопроводі до насосу 7. Визначений рівень рідини в паровідділювачі автоматично піддержується регулятором 6.

Шляхом регулювання кількості напрямленого на рециркуляцію згущуваного продукту за допомогою клапана, а також подачі сировини встановлюється режим випарювання. Після цього згущений бульйон починають відкачувати із апарата продуктовим насосом 7.

Існує прилад для приготування гарячої води, яка використовується для нагрівання бульйону в теплообміннику. Холодна вода потрапляє до вирівнюючого баку 9, звідки вона відкачується насосом 10 до спеціально підігрівача води 11.

Речовини які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим теплоносієм, речовину з нижчою температурою холодним.

Як гарячі теплоносії в харчовій промисловості використовуються водяна пара, гаряча вода, нагріте повітря, димові гази і гарячі мінеральні масла, а як холодні – воду, повітря, ропу(розсіл), аміак і фенол.
Тепловий розрахунок



Визначення температурних умов нагріву

Визначення середньої різниці температур між водою і бульйоном:

?tм = t - t1п

?tм = 16 – 11 = 5єС

?tб = t2п - t

?tб = 78 – 45 = 33єС

?tб / ?tм = 33 / 5 = 6,6 , оскільки 6,6 > 2, то

?tср = (?tб - ?tм) / ln (?tб / ?tм )

?tср = 28 / ln 6,6 = 28 / 1,887 = 14,8єС

Визначення середньої температури води:

t1ср = (t1п + t)/2

t1ср =(11+45)/2 = 28єС

Визначення середньої температури бульйону:

t2ср = (t2п + t)/2

t2ср =(78+16)/2 = 47єС


Визначення теплового навантаження апарата

Q = Q1 = х Q2 ,

де х = 1,02…1,05 – коефіцієнт, що враховує теплові втрати.

Q2 = х G2 с2(t - t2п) ,

де с2 теплоємність бульйону при температурі 47єС, с2 = 4,174 кДж/(кг· К)

Q2 = 1,03 · 2 · 4,174 · (16 – 78) = 533,10 кВт

Рівняння теплового балансу має вигляд:

G1 с1(t1п - t) = х G2 с2(t - t2п)

Визначаємо витрати води на підігрів бульйону:

G1 = (х G2 с2(t - t2п)) / с1(t1п - t),

де с1 теплоємність води при температурі 28єС,с1 = 4,182 кДж/(кг· К)

G1 = (1,03· 2 · 4,174 · (16 – 78)) / (4,182 ·(11 – 45)) = ?275,15 / ?142,19= 1,93 кг/с

Визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до бульйону ?2. Для цього знаходимо критерій Re2.

Re2 = (w2 · dв · ?2) / ?2,

де ?2 – коефіцієнт динамічної в`язкості, який становить 0,92·10-3 Па·с;

?2 - густина кісткового бульйону при температурі 47єС і вмісті сухих речовин n = 1,77 % становить 986,4 кг / м3.

dв – діаметр внутрішньої труби, який визначається за формулою

dв = ?(4· G2 ) / (? · ?2 ·w2) ;

Обчислюємо діаметр внутрішньої труби

dв = ?(4· 2) / (3,14 · 986,4 · 1,1) = ? 8 / 3407 = 0,048 м

Re2 = (1,1 · 0,048 · 986,4) / 0,92 · 10-3 = 56610

Критеріальне рівняння для визначення критерію Нусельта має вигляд: Nu2 = 0,023 · Re20,8 · Pr20,4 · ( Dв / dз )0,45,

де Pr2 – критерій Прандтля для бульйону, який визначається за формулою

Pr2 = ( с2 · ?2) / ?2,

?2 – коефіцієнт теплопровідності бульйону, ?2 = 607·10-3 Вт / (м·К);

Dв – внутрішній діаметр зовнішньої труби, який визначається за формулою:

Dв = ?(4 · ?) / (? · w1) + dз,

? – об`ємні витрати рідини, які визначаються за формулою

? = G1 / ?1

? = 1,93 / 996,4 = 0,0019 м3

?1 – густина води при температурі 28єС , ?1 =996,4 кг / м3

dз – зовнішній діаметр внутрішньої труби.

Оскільки товщина стінки складає 0,002 м, то dз = dв + ?

dз = 0,048 + 2·0,002 = 0,052 м.

Pr2 = (4174 · 0,92·10-3) / 607·10-3 = 6,3

Dв = ?(4 · 0,0019) / (3,14 · 1,2) + 0,052 = 0,075 м

(Dв / dз)0,45 = (0,075 / 0,052)0,45 = 1,18

Nu2 = 0,023 · 566100,8 · 6,30,4 ·1,18 = 0,023 · 6343 · 2,09 · 1,18 = 359,79

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від стінки до бульйону

?2 = ( Nu2 · ?2 ) / dв

?2= (359,79 · 607·10-3) / 0,048 = 4549 Вт/(м2 · К)

Визначення коефіцієнта тепловіддачі від конденсату до стінки ?1. Для цього знаходимо критерій Re1.

Re1 = (w1 · dе · ?1) / ?1,

де ?1 – коефіцієнт динамічної в`язкості, який становить 0,843·10-3 Па·с;

?1 - густина води при температурі 28єС, становить 996,4 кг / м3.

dе – еквівалентний діаметр, який визначається за формулою

dе = Dв – dз

dе = 0,075 – 0,052 = 0,023

Re1 = (1,2 · 0,023 · 996,4) / 0,843 · 10-3 = 27,5 / 0,843 · 10-3 =32621

Критеріальне рівняння для визначення критерію Нусельта має вигляд:

Nu1 = 0,023 · Re10,8 · Pr10,4 · ( Dв / dз )0,45,

де Pr1 – критерій Прандтля для води, який визначається за формулою

Pr1 = ( с1 · ?1) / ?1,

?1 – коефіцієнт теплопровідності води, ?1 = 614·10-3 Вт / (м·К);

Pr1 = ( 4182 · 0,843·10-3 ) / 614·10-3 = 5,74

(Dв / dз)0,45 = (0,075 / 0,052)0,45 = 1,18

Nu1 = 0,023 · 326210,8 · 5,740,4 ·1,18 = 0,023 · 4081 · 2,01 · 1,18 = 222

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від конденсату до стінки

?1 = ( Nu1 · ?1 ) / dе

?1 = (222 · 614·10-3) / 0,023 = 5926 Вт/(м2 · К)

Визначення коефіцієнта теплопередачі

К = 1 / (1/?1 + ?/?ст + 1/?2)

Приймаємо, що труби виготовлені з нержавіючої сталі, тоді коефіцієнт теплопровідності становить ? ст = 17,5 Вт/(м·К), а товщина стінки ? = 0,002м.

К = 1 / (1/5926 + 0,002/17,5 + 1/4549) = 1 / (0,00017 + 0,00011 + +0,00021) = 1 / 0,00049 = 2041 Вт/ (м2·К)

Визначення площі поверхні теплообмінника

F = Q / ( К · ?tср )

F = 533100 / (2041 · 14,8) = 17,6 м2


Конструктивний розрахунок

Визначення діаметра внутрішньої труби

dв = ?(4· G2 ) / (? · ?2 ·w2)

dв = ?(4· 2) / (3,14 · 986,4 · 1,1) = 0,05 м

Визначення загальної довжини труби

l = (F / 3,54) · ?(w2 · ?2)/G2

l = (17,6/3,54) · ?(1,1·986,4)/2 = 99,75м

Визначення кількості елементів теплообмінника

n = l / l1,

де l1 – довжина труби одного змієвика.

Приймаємо, що довжина труби одного змієвика дорівнює 7 м. Тоді кількість елементів теплообмінника становить

n = 99,75/ 7 =14

Визначення внутрішнього діаметра зовнішньої труби

Dв = ?(4 · ?) / (? · w1) + dз

Dв = ?(4 · 0,0019) / (3,14 · 1,2) + 0,052 = 0,097 м

Визначення об`ємних витрат рідини

? = G1 / ?1

? = 1,93/ 996,4 = 0,0019 м3

Визначення діаметра патрубків:

- патрубок на вході води

dв.вх = 1,13? G1 / (? · w1)

dв.вх = 1,13?1,93 / (999,8 · 1,2) = 0,045 м

- патрубок на виході води


dв.вих = 1,13? G1 / (? · w1)

dв.вих = 1,13?1,93 / (990 · 1,2) = 0,046 м

-патрубок на вході бульйону

dб.вх = 1,13? G2 / (? · w2)

dб.вх = 1,13?2 / (972,55 · 1,1) = 0,049 м

-патрубок на виході бульйону

dб.вих = 1,13? G2 / (? · w2)

dб.вих = 1,13?2 / (998,5 · 1,1) = 0,048 м


Гідравлічний розрахунок теплообмінника.

Цей розрахунок потрібний для визначення потужності насосів для бульйону та води, а також для встановлення оптимального режиму роботи теплообмінника.

Провіряємо умову вибору рівняння для розрахунку коефіцієнта тертя бульйону ?.

Так як Re > 500 dв/?,

де ? – абсолютна шорсткість, яка для нових труб з нержавіючої сталі дорівнює 0,06 мм. Коефіцієнт опору тертя розраховуємо за формулою

? = 0,11 · (?/dв)0,25

? = 0,11 · ( 0,06/0,05)0,25 = 0,12

Приймаємо слідуючи місцеві опори на шляху руху бульйону:

?? = ?1 + ?2 + ?3,

де ?1 = 1 – вхід в трубу;

?2 = 1 – поворот на 180є через коліно;

?1 = 1 – вихід з труби.

?? = 1 + 1 · 15 + 1 = 17

Знаходимо повний гідравлічний опір, який складається із втрат тиску на подолання опору тертя і на подолання місцевих опорів:

?р = ?ртр + ?рм.с = (? · (l / dв) + ??) · (w22· ?2)/2,

де ? – коефіцієнт опору тертя;

l – довжина труби;

dв – діаметр труби;

?2 - густина кісткового бульйону при температурі 47є;


w2 – швидкість руху бульйону.

?р = ( 0,12 · (115,75/0,05) + 17 ) · (1,12 · 986,4)/2 = 294,8 · 596,8 = =175936 Па

Потужність, що потрібна для переміщення теплоносія через апарат:

N = (? · ?р) / ?,

де ? – коефіцієнт корисної дії насоса, який приймаємо рівним 0,8.

N = ( 0,0019 · 175936) / 0,8 = 417 Вт
Розрахунок теплової ізоляції.

Теплова ізоляція – один із основних факторів, які необхідні для безпечної, продуктивної та економічно вигідної роботи теплообмінника.

Для розрахунку теплової ізоляції приймаємо наступні значення:

tі = 40єС – температура на поверхні ізоляції;

tп = 20єС – температура повітря;

tа = 78єС – температура в апараті.

? = 0,047 – коефіцієнт теплопровідності для теплової ізоляції.

Знаходимо сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря:

? = 9,76 + 0,07 ( tі – tп )

? = 9,76 + 0,07 ( 40 – 20 ) = 11,16 Вт/м2·К

Товщина теплової ізоляції:

? = (? · ( tа – tі )) / (? · ( tі – tп ))

? = (0,047 · (78 – 40)) / (11,16 · (40 – 20 )) = 0,01 м





Техніко - економічні показники роботи апарата.

Визначаємо амортизаційні витрати

Ка = F · СF · а,

де F – площа теплообміну;

СF вартість 1 м2 поверхні теплообміну апарата, яка складає 1000грн/м2;

а – річна частина амортизаційних відрахувань, яка становить 15%.

Ка = 17,6 · 1000 · 0,15 = 2640 грн/рік

Визначаємо експлуатаційні витрати

Ке = N · Се · ?,

де N – потужність електродвигуна насоса;

Се – вартість 1 кВт·год електроенергії, яка становить 0,4грн/(кВт·год);

? – кількість годин роботи теплообмінника за рік, яка складає 4160год.

Ке = 0,417 · 0,4 · 4160 = 693,89 грн/рік

Отже, сумарні затрати складають

К? = Ка + Ке

К? = 2640 + 693,89 = 3333,89 грн/рік

Розрахунок оптимального режиму і конструкції апарата

Для побудови графіка оптимізації і вибору оптимальної швидкості руху продукту були проведені розрахунки амортизаційних, експлуатаційних та сумарних витрат при різних швидкостях руху продукту:

w1 = 0,5 м/с ; w2 = 2,0 м/с

При w1 = 0,5 м/

dв = ?(4· 2) / (3,14 · 986,4 · 0,5) = 0,07 м

Re = (0,5 · 0,07 · 986,4) / 0,92 · 10-3 = 37526

Pr = (4174 · 0,92·10-3) / 607·10-3 = 6,3

(Dв / dз)0,45 = (0,075 / 0,052)0,45 = 1,18

Nu = 0,023 · 375260,8 · 6,30,4 ·1,18 = 258,7

?2 = (258,7 · 607·10-3) / 0,07 = 2243 Вт/(м2 · К)

К = 1 / (1/5926 + 0,002/17,5 + 1/2243) = 1372 Вт/ (м2·К)

F = 533100 / (1372 · 14,8) = 26,3 м2

l = (26,3/3,54) · ?(0,5·986,4)/2 = 96,67 м

n = 96,67 / 7 = 14

?? = 1 + 1 · 15 + 1 = 17

? = 0,11 · ( 0,06/0,07)0,25 = 0,1

?р = ( 0,1 · (116,67/0,07) + 17 ) · (0,52 · 986,4)/2 = 22646Па

N = ( 0,0019 · 22646) / 0,8 = 53,8 Вт

Ка = 26,3 · 1000 · 0,15 = 3945 грн/рік

Ке = 0,053 · 0,4 · 4160 = 88,19 грн/рік


К? = Ка + Ке = 3945 + 88,19 = 4033,19 грн/рік

При w2 = 2 м/с

dв = ?(4· 2) / (3,14 · 986,4 · 2) = 0,036 м

Re = (2 · 0,036 · 986,4) / 0,92 · 10-3 = 77196

Pr = (4174 · 0,92·10-3) / 607·10-3 = 6,3

(Dв / dз)0,45 = (0,075 / 0,052)0,45 = 1,18

Nu = 0,023 · 771960,8 · 6,30,4 ·1,18 = 460,7

?2 = (460,7 · 607·10-3) / 0,036 = 7767,9 Вт/(м2 · К)

К = 1 / (1/5926 + 0,002/17,5 + 1/7767,9) = 2428,5 Вт/ (м2·К)

F = 533100 / (2428,5 · 14,8) = 26,3 м2

l = (26,3/3,54) · ?(2·986,4)/2 = 131,3 м

n = 131,3 / 7 = 18

?? = 1 + 1 · 17 + 1 = 19

? = 0,11 · ( 0,06/0,036)0,25 = 0,125

?р = ( 0,125 · (131,3/0,036) + 19 ) · (22 · 986,4)/2 = 938855 Па

N = ( 0,0019 · 938855) / 0,8 = 2229 Вт

Ка = 26,3 · 1000 · 0,15 = 2220 грн/рік

Ке = 2,22 · 0,4 · 4160 = 3710 грн/рік

К? = Ка + Ке = 2220 + 3710 = 5930 грн/рік
Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата.

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.

Питання екології

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 забруднювати навколишнє середовище, що є великою перевагою у його використанні.
Література

  1. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств / Под ред. В.Н. Стабникова. – К.: Вища шк., 1982. – 199 с.

  2. Процеси і апарати харчових виробництв / за ред. І.Ф. Малежика

  3. В.Н. Стабников, В.М. Лысянский , В.Д. Попов / Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Агропромиздат, 1985. – 503с.

  4. Фізико-хімічні та теплофізичні характеристики м`яса, м`ясо продуктів, крові тварин і бульйонів. Метод. Вказівки до курс. і диплом. Проектування для студентів усіх спец. / Уклад.: В.С. Бодров. К.: УДУХТ, 1998. – 24с.

  5. Гусаковський З.М. Технология и оборудование м’ясоконсервного производства. – М.: Пищ. пром-ть. 1970. – 400 с.

  6. Пелеев А.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. – М.: Пищ. пром-ть, 1978. – 262 с.

  7. Процеси і апарати харчових виробництв: Метод. вказівки до викон. контрол. робіт для студ. технолог. спец. заоч. форми навч. / Уклад.: І.Ф. Малежик, Л.В. Зоткіна, П.М. Немирович, О.В.Саввова. – К.: НУХТ, 2002 – 64 с.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации