Расчет параметров теплообменного аппарата "труба в трубе"

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Ускорение научно-технического прогресса в пищевой промышленности на ближайшие годы требует создания безотходных технологий, максимальной механизации и автоматизации производства, внедрения новых видов высокопроизводительного оборудования, роста производительности труда и повышение качества продукции.

Современная пищевая промышленность включает множество разнообразных производств, перерабатывающих сырье, различающиеся физико-химическими свойствами, что обуславливает характер и условия проведения технологических процессов.

Во всех отраслях пищевой промышленности большинство технологических процессов связано с использованием теплоты. Многие виды сырья, полуфабрикатов подвергаются тепловой обработке: нагреванию, выпариванию, охлаждению.

Теплота применяется также для стерилизации и пастеризации, сушки и других процессов. Тепловая обработка продуктов проводится в теплообменных аппаратах.

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной рабочей среды, называемой горячим теплоносителем или теплопередатчиком, к другой, называемой холодным теплоносителем, для осуществления различных тепловых процессов: нагревания охлаждения, конденсации, повышения концентраций растворов. Большое распространение теплообменные аппараты получили в рыбообрабатывающей промышленности, в частности при производстве рыбных консервов, сушке, копчении, посоле.

Как известно, существует множество типов теплообменников (ТО). Они разделяются на поверхностные (рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой) и смесительные. ТО поверхностного типа в свою очередь делятся на кожухотрубные, типа «труба в трубе», витые, погружные, оросительные, спиральные, пластинчатые и кожухопластинчатые. В настоящее время наибольшее распространение нашли кожухотрубные, пластинчатые и кожухопластинчатые теплообменники. Давайте рассмотрим особенности их применения при работе на водяном паре.

 

Обзор и сравнительный анализ теплообменников

 

Тепловые аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменниками. Теплообменники отличаются разнообразием конструкций, которое объясняется назначением аппаратов и условиями проведения процессов. По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

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

В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителем. При омывании поверхности горячим теплоносителем она нагревается за счет его теплоты; при омывании поверхности холодным теплоносителем она охлаждается, отдавая теплоту. Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горячего теплоносителя, а затем отдает ее холодному теплоносителю.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей.

Рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубные, типа «труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, оросительные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубчатые выпарные аппараты.

Кожухотрубные теплообменники являются наиболее широко распространенной конструкцией в пищевых производствах. Кожухотрубный теплообменник состоит из цилиндрического корпуса, которых 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 присоединены 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 трубам 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. Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб. Греющие трубы соединяются с трубой решеткой сваркой либо развальцованы в ней. Греющие трубы изготавливаются из стали, меди и латуни.

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

С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменников пучок труб секционируют, т.е. разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Достоинства кожухотрубных теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе материала, легкости отчистки труб изнутри.

Недостатками этих теплообменников являются сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая

доступность для его осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовки и сварки. Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большого диаметра и расположенных внутри них труб меньшего диаметра. Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из теплоносителей движется по внутренней трубе, а другой по кольцевому каналу, образованному внутренней и внешней трубами.

При необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи, теплообменник составляют из нескольких секций, получают батарею.

Достоинством теплообменников типа «труба в трубе» является высокий коэффициент теплопередачи вследствие к большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, высокой металлоемкости, трудности отчистки межтрубного пространства. Теплообменники типа «труба в трубе» применяются при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостью и конденсирующимся паром.

Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой. Теплоноситель движения внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготавливаются с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.

Погружные теплообменники применяются для охлаждения, а также для конденсации паров.

Оросительные теплообменники применяются для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они из нескольких расположенных одна под другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлажденный теплоноситель. Охлажденная вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно перетекает на верхнюю трубу теплообменника и расположенные ниже трубы. Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплоотдачи в этих теплообменниках невелик. Оросительные теплообменники просты по устройству, но металлоемки. Обычно они устанавливаются на открытом воздухе.

Спиральные теплообменники состоят их двух спиральных каналов прямоугольного сечения. Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

Такие теплообменники используются для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому они применяются для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например для охлаждения бражки на спиртоперегонных заводах. Спиральные теплообменники компактны, позволяют производить процесс теплопередачи  при  высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже.

Недостатками спиральных теплообменников являются сложность изготовления, ремонта и чистки.

Пластинчатые теплообменники монтируются на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделения прокладками отверстия. Теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны плиты.

Пластинчатые теплообменники используются в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации, например молока, и стерилизации. Эти теплообменники можно собирать в виде многоступенчатых агрегатов.

Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин. К недостаткам относят сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами. Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи.

Для оребрения поверхности используют стальные круглые и прямоугольные шайбы, которые приваривают в основном к трубам. В трубчатых теплообменниках применяются поперечные и продольные ребра.

Примером оребренного теплообменника служит калорифер, используемый для нагрева воздуха греющим насыщенным водяным паром. В теплообменных аппаратах с рубашками (например, в автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса теплоносителя. В пространстве между рубашкой и корпусом   циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате. Иногда вместо сплошной рубашки к корпусу аппарата приваривается змеевик.

 

 
ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Задание:

Нагреть растительное масло от начальной температуры (tH=150C) до конечной температуры (tK=125°C). Греющим агентом является водяной пар, с давлением Ргр=3 ат (294.1995 кПа); G = 4,5 т/час; х = 0,95

 

1ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

1. Определение расхода тепла (тепловой нагрузки):

Q = G*Cp(tK-tH)*φ , где

G - массовый расход продукта (масла), кг/с (G = 4,5 т / час =4,5*1000/3600 = 1.25 кг/с)

Ср - удельная теплоемкость продукта, Дж/кг*К

tH, tK - начальная и конечная разность температур масла, °С

φ =1,05 – поправочный коэффициент, учитывающий потери тепла

Q = 1,25*1720( 125-15)*1,05 = 248325 Дж/с [Вт ]

 

2. Определение расхода теплоносителя (пара):

Дгр = Q*/rгр*x , где

 Q - тепловая нагрузка, Вт

rгр- удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг (rгр = 2165800)

х - степень сухости греющего пара

Дгр= 248325/(2165800*0,95) = 0,12 кг/с

 

3. Определение среднего температурного напора:

 

При Ргр= 294.2 кПа, Tконд = 132,9 оС

∆tб = Tконд – tн = 132,9 – 15 = 117,9 оС

∆tм = Tконд – tк = 132,9 – 125 = 7,9 оС

Так как отношение ∆tб/∆tм= 117,9/7,9 = 14,9 > 2, тогда

∆tср = ∆tб - ∆tм/2,3 lg (∆tб/∆tм) = 117,9 – 7,9/ 2,3 lg (14,9) = 40,74 оС

 

4. Средняя температура подсолнечного масла:

tср= Tконд -∆tср=132,9 – 40,74 = 92,15 оС

 

5. Теплофизические показатели масла при средней температуре tcp:

плотность: ρ = 876 кг/м3

коэффициент теплопроводности: ƛ = 0,15675 Вт/м*К

динамический коэффициент вязкости: μ= 72,3* 10-4 Па*с

критерий Прандтля: Pr = 96,175

кинематический коэффициент вязкости: = 8,26 * 10-6 м2/с

 

6. Подбор диаметра внутренней трубы:

Рекомендуемый интервал скоростей масла по внутренней трубе 1,5- 3м/с

= 1,13 / м

Vм= / = 1,25/876 = 0,0014 м3/с

Примем м ≈ 2 м/с: d = 1,13 = 0,03 м

По ГОСТ 9930-78 берем трубу диаметром d = 38 * 2 мм (dвн = 38 – 4= 34)

 

7. Уточняем скорость масла в трубе