Процесс нагрева молока в кожухотрубном теплообменнике

Содержание

Введение……………………………………………………………………….....4

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТА ДЛЯ НАГРЕВА МОЛОКА……………….........................................................................................6

    1.1 Классификация теплообменных аппаратов................................................6

    1.2 Рекуперативные теплообменники...............................................................8

1.2.1 Кожухотрубные теплообменники................................................................8

1.2.2Теплообменники типа "труба  в трубе"........................................................11

1.2.3Погружные змеевиковые  теплообменники.................................................11

1.2.4 Оросительные теплообменники..................................................................12

1.2.5 Спиральные теплообменники.....................................................................13

1.2.6 Пластинчатые теплообменники..................................................................13

1.2.7 Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена...............15

1.2.8 Теплообменные аппараты  с рубашками (автоклавы)...............................16

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ…………………………………………...17

2.1 Геометрический расчет…………………………………………………….17

2.2 Тепловой расчет…………………………………………………………….18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….25

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….26

 

Введение

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

Теплопередача - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого - либо материала. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики (однако возможно передать тепло от холодного тела с помощью вспомогательных устройств, таких как холодильник). В процессах теплопередачи участвуют 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. Теплопередачу невозможно остановить, ее можно только замедлить. Существует три простых вида передачи тепла:

• теплопроводность - процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц;
• конвекция -  явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества;
• тепловое излучение -  передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии.

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:

• теплоотдача - конвективный теплообмен между потока жидкости или газа и поверхностью твердого тела;
• теплопередача - теплообмен от горячей жидкости к холодному через разделяющую их стенку;

 

 

 

• конвективно - лучистый перенос тепла - совместный перенос тепла излучение и конвекцией.

В данной курсовой работе мы рассмотрим рекуперативные теплообменники - теплообменники, в которых горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, теплообмен происходит через стенку. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. Подробно ознакомимся с кожухотрубными теплообменниками и проведем  их геометрический и тепловой расчеты.

Кожухотрубные теплообменники применяются для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния. Данные теплообменники могут применяться в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. Кожухотрубные теплообменники являются одними из самых широко применяемых аппаратов в пивной, молочной и других пищевых производствах во многом благодаря своей надежной конструкции и множеству вариантов исполнения в соответствии с различными условиями эксплуатации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Анализ конструкций аппарата для нагрева молока    

   

1.1 Классификация  теплообменных аппаратов

Теплообменники можно классифицировать:

1. По основному назначению:
1. Теплообменники;

Теплообменники – устройства, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от его технологического назначения. В теплообменниках нагрев является основным процессом.

2. Реакторы;

В пищевой промышленности чаще всего используются вакуумные реакторы. Вакуумные реакторы – емкости, главным образом, предназначенные для проведения процесса выпаривания жидкости (воды) из продуктов, загруженных в его внутренний объем. В вакуумных реакторах нагрев является вспомогательным процессом.

2. По способу передачи тепла:
1. Аппараты смешения;

В аппаратах смешения процесс теплообмена осуществляется за счет непосредственного контакта и смешения жидких или газообразных теплоносителе.

2. Поверхностные аппараты;

В поверхностных аппаратах передача тепла от одной рабочей среды к другой осуществляется через твердую стенку из теплопроводного материала.

3. По принципу действия:
1. Регенеративные;

В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью. Характерная особенность регенеративного теплообменника – нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

 

 

 

 

2. Рекуперативные;

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рекуперативные теплообменники подразделяют:

3.2.1. В зависимости от направления движения теплоносителей:

1. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным;
2. Если теплоносители движутся в противоположном направлении, теплообменник называется противоточным;
3. Если теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, то такой теплообменник - теплообменник с перекрестным током, при этом возможен однократный и многократный перекрестный ток.

3.2.2. В зависимости от  конструкции:

1. Кожухотрубные;
2. Аппараты типа «труба в трубе»;
3. Змеевиковые;
4. Пластинчатые;
5. Спиральные;
6. Оросительные;
7. Аппараты с рубашками;
8. Трубные выпарные аппараты.
3. Смесительные (контактные);

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т.е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

4. В зависимости от вида рабочих сред:
1. Газовые (теплообмен между газовыми средами);
2. Паро - газовые (теплообмен между паром и газовой средой);
5. По тепловому режиму:
1. Аппараты с установившимся процессом (температура в каждой точке рабочего объема (тела) не меняется во времени);
2. Аппараты с нестационарными процессами (температура в каждой точке рабочего объема (тела) меняется во времени).

В пищевой промышленности наиболее широко применяются рекуперативные теплообменные аппараты и аппараты смешения различных типов и конструкций. В качестве теплоносителей в данных теплообменниках чаще всего используют водяной пар, горячую воду и дымовые газы.

Рассмотрим подробно рекуперативные теплообменники, которые в зависимости от конструкций разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оросительные, аппараты с рубашками и трубные выпарные аппараты.

1.2 Рекуперативные теплообменники

1.2.1Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах.

Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса; который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.

 

 

 

Рис. 1Схема вертикального однoходового кожухoтpyбнoгo теплообменника с неподвижными трубными решетками и размещение труб в трубной решетке: 1— корпус; 2— трубная решетка; 3— греющая труба; 4 — патрубок; 5—днища; 6 —опорная лапа; 7— болт; 8— прокладка; 9—обечайка.

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб.

Греющие трубы соединены с трубной решеткой сваркой либо развальцованы в ней (см. узел Б на рис. 1). Греющие трубы изготовляют из стали, меди или латуни.

Размещают греющие трубы в трубных решетках несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника. IIIаг размещения труб зависит от внешнего диаметра трубы.

С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, т. е. разделяют на несколько секций (ходов), по котором теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах.

На рис. 2 показан таком многоходовой теплообменник, в котором теплоноситель проходит трубное пространство за четыре хода. Этим достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. Целесообразно увеличивать скорость того из теплоносителей, который имеет большее термическое сопротивление.

 

Рис. 2. Схема многоходового теплообменника (по трубному пространству): 1—корпус; 2—греющая труба; 3—днище; 4—перегородки

Рис. 3. Схема многоходового теплообменника (по межтрубному пространству): 1—корпус; 2— перегородки; 3—греющая труб;

4—днище.

Секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок (рис.3).

Приведенные на рис. 1...3 кожухотрубные теплообменники надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами 25...30°С. При более высоких разностях температур между корпусом и трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Простейшее устройство для компенсации температурных удлинений - линзовый компенсатор (рис. 4, а), который устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.