Теплообменные процессы

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

1.Теоретическая часть. Теплообменные процессы………………………4

2.Расчет теплообменного аппарата………………………………………..6

Список используемой литературы……………………………………….13

Чертеж теплообменного аппарата (Приложение)

 

 

 

 

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.

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

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные регенеративные и смесительные (градирни скрубберы конденсаторы смешения и т. д.).

В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей.

1. Теоретическая часть. Теплообменные процессы

Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) – энергетическая характеристика процесса теплообмена которая определяется количеством энергии отдаваемой или получаемой в процессе теплообмена.

Теплообменные процессы – это процессы связанные с переносом теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. К ним относятся процессы нагревания пастеризации стерилизации охлаждения конденсации выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с более высокой температурой отдающая при теплообмене теплоту называется горячим теплоносителем среда с более низкой температурой воспринимающая теплоту называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими не вызывать коррозии аппаратуры не образовывать отложений на стенках аппаратов. В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар вода дымовые газы а в качестве хладагентов – аммиак фреоны рассол хлорида кальция воздух азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется их назначением температурами процесса стоимостью.

К теплообменным относят такие технологические процессы скорость которых определятся скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание испарение (в том числе выпаривание) охлаждение конденсация.

 

Задание

 

Расчет кожухотрубного теплообменника

 

Вариант 38

 

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания m (кг/час) жидкости от температуры t2н (ºС) до температуры t2к (ºС). Греющий теплоноситель - водяной пар. Давление пара - Рабс (ат).

 

В результате расчета определить:

1. Коэффициенты теплопередачи и коэффициент теплопередачи.
2. Поверхность теплообмена.
3. Основные размеры теплообменника.
4. Толщину изоляции и тепловые потери в окружающую среду.
5. Расход греющего пара.

 

Данные для расчета:

 

расположение теплообменника – горизонтальное

нагреваемая жидкость – подсолнечное масло

расход жидкости m = 16000 кг/ч или 4,44 кг/с

температура жидкости t2н = 30 °C

температура жидкости t2к = 95 °C

давление пара – Рабс  = 0,23 МПа

скорость жидкости w = 0,6¸0,9 м/с;

внутренний диаметр трубы dв = 25¸40 мм;

толщина стенки трубы dст = 2,5¸4 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.   Выбор конструктивных элементов и скорости жидкости

 

Выберем произвольно:

Материал: нержавеющая сталь

Скорость жидкости

Внутренний диаметр трубы dвн = 30мм

Толщина стенки трубы мм

 

Число труб в одном ходу n1, шт, определяем по формуле (1.1)

 

,                                        (1.1)

 

где  m – расход жидкости, кг/с

 – плотность жидкости (подсолнечное масло10%), кг/м3

 

Определяющая температура  нагревающей жидкости tопр, °C, определяем по формуле (1.2)

 

,                                      (1.2)

 

 °C

 

Плотность подсолнечного масла (кг/м3) при температуре tопр, °C определяется по формуле (1.3)

 

,    ( 1.3)

 

Где: b – концентрация раствора %

 

 кг/м3

 

 

, шт.

принимаем n1 = 9

 

Общее число труб в пучке (расчетное) шт, определяем по формуле (1.4)

 

      (1.4)

 

где zтр – количество ходов в теплообменнике, в соответствии с заданной производительностью zтр принимаются 2; 4; 6.

 

шт

По табл.[2] выбираем число труб в пучке n = 61, тогда уточним скорость движения жидкости, м/с по формуле (1.5)

 

 

, м/с      (1.5)

м/с

По давлению пара 2,8 Мпа определяем температуру его насыщения ts = 131,2°C. Тогда разности температур в начале Δtб, °C  и в конце Δtм, °C  нагревания определяем по формулам (1.6) и (1.7):

 

,                                    (1.6)

,                                             (1.7)

 

   

 

   

 

 

Среднюю разность температур определяем по формуле (1.8)

 

                                            (1.8)

 

 

 

 

1. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости.

В целях определения режима движения жидкости в трубах, вычисляется критерий Рейнольдса по формуле (1.9)

 

,     (1.9)

 

где  dэ = dв – эквивалентный диаметр, м;     

n - кинематическая вязкость, м2/с;

µ - динамическая вязкость, Па·с.

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи определяется  для турбулентного режима (Re >10 000) по формуле (2.0)

 

      (2.0)

 

где  Nu – критерий Нуссельта

Pr – критерий Прандтля

 

Критерий Прандтля находим по формуле (2.1)

 

,       (2.1)

 

где  с – удельная теплоемкость, Дж/(кг×°К);

m - динамическая вязкость, Па×с;

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м×°К);

 

Удельную теплоемкость масла (кДж/кг×°К) находим по формуле (2.2)

 

 ,   (2,2)

где   t – температура, ºС;

b – концентрация, %.

 

 кДж/кг×°К

 

Коэффициент теплопроводности подсолнечного масла Вт/(м×°К), находим по формуле (2.3)

 

,    (2.3)

 

где   lв – коэффициент теплопроводности воды при  температуре 62,5 ºС,         0,665 Вт/(м×°К);

b –  концентрация, %;

К – безразмерный коэффициент (см. табл. 14)

 

 Вт/(м×°К)

 

 

   

Температуру стенки рассчитываем как среднеарифметическую величину по формуле(2.4)

,      (2.4)

 

где можно принять ºС

 

 ºС

 

Коэффициент теплоотдачи к подсолнечному маслу находим по формуле(2.5)

 

,       (2.5)

 

 

 

2. Определение коэффициента теплоотдачи от пара к стенки α1  при конденсации водяного пара на поверхности пучка горизонтальных труб, среднее значение коэффициента теплоотдачи (Вт/(м2×°К)) рассчитывают по формуле(2.6)

 

      (2.6)

 

где: λ – теплопроводность пленки конденсата, Вт/(м×°К);

r - плотность конденсата, кг/м3;

r – удельная теплота конденсата, Дж/кг;

m - динамическая вязкость конденсата, Па×с;

H – рабочая высота вертикальной трубы, м;

Dt – разность температур пара и стенки, ºС;

dн – наружный диаметр труб, м;

e  - коэффициент, зависящий от числа труб в вертикальном ряду (см. табл. 2 приложения).

Физические параметры конденсата водного пара при ts=130 ºС (см. табл. 3)

λ=0,685 Вт/(м×°К)

r =934,8 кг/м3

r = 2171 Дж/кг

µ =

e = 0,68

 

 

 ºС 

 

 Вт/(м2×°К)

 

 

3. Определение коэффициента теплопередачи К по формуле (2.7)

 

,       (2.7)

 

где : rст – термическое сопротивление загрязненной стенки, м2·ºК/Вт, определяется по формуле (2.8)

 

,       (2.8)

 

где: dст, dзагр – толщина металлической стенки трубы и слоя загрязнения, м (dзагр принимают 0,5¸1,5 мм);

lст, lзагр – коэффициенты теплопроводности металлической стенки и слоя загрязнения, Вт/(м×°К) (lзагр принимается из табл. 22 приложения для накипи; lст принимается из табл. 22 приложения).

 

принимаем dзагр =1мм

lст = 17 Вт/(м×°К)

lзагр = 1,4-3,1 Вт/(м×°К)

 

 м2·ºК/Вт

 

 Вт/(м2×°К)

 

4. Определение поверхности теплообмена и основных размеров теплообменника.

 

Поверхность теплообмена определяется по формуле(2.9)

 

,       (2.9)

 

где  Q – тепловая нагрузка, Вт, определяется по формуле (3.0)

 

,     (3.0)

 

где c – удельная теплоемкость нагреваемой жидкости, Дж/(кг×°К)

Вт

 

м2

 

Для определения длины труб (м) пользуемся соотношением (3.1)

 

,        (3.1)

 

где n - общее количество труб в пучке;

dр - расчетный диаметр, м.

т.к. , то

м

 

Диаметр кожуха определяется по формуле (3.2)

 

,      (3.2)

 

где b - число труб по диагонали шестиугольника (табл. 2 приложения);

t = (1,3¸1,4)×dн - шаг труб, м.

 

¸

 

м

 

 

5. Расчет изоляции и тепловых потерь в окружающую среду.

Толщина изоляционного слоя (м) определяется из уравнения(3.3)

,     (3.3)

 

где  λиз - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м×°К) шлаковая вата λ=0,07 (табл. 22 приложения);

- коэффициент теплопередачи в  окружающую среду, Вт/(м2×°К), определяется по формуле (3.4)

,      (3.4)

 

где - коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху, Вт/(м2×°К), определяется по формуле (3.5)

,     (3.5)

 

tиз = 60 ºС - допустимая температура поверхности изоляции, ºС;

tвоз=15¸25 ºС - температура окружающего воздуха, ºС.

 Вт/(м2×°К)

 

 Вт/(м2×°К)

 

м

Потери тепла в окружающую среду (Вт) определяются по формуле (3.6)

 

,     (3.6)

 

где Fn - наружная поверхность теплообменника, м2, определяется по формуле (3.7)

 

,    (3.7)

 

 м2

 

Вт

 

 

6. Определение расхода греющего пара (кг/с), определяется по формуле (3.8)

 ,        (3.8)

где - энтальпии пара и конденсата, Дж/кг (табл. 30 приложения).

 

кг/с

Список литературы

 

1. Солнцев В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств химической технологии: Учебно-методическое пособие. – Владивосток: Изд-во ТГЭУ 2006. – 100с.
2. Гинзбург А.С. Громов М.А Красовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник. – М.: Пищ. пром-сть 1980. – 286с.
3. Кавецкий Г.Д. Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Колос 1999. – 551 с.
4. Лунин О. Г. Вельтищев В. Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат 1987. – 239с.
5. Соколов В. И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. – М.: Машиностроение 1983. – 484с.
6. Угрюмова С. Д. Теплотехника: Учебник. Владивосток: Издательство ДВГАЭУ 1999. – 296с.