Теплообмінник типу 'Труба в трубі'

Теплообмінник типу 'Труба в трубі'

ВСТУП

Тепловикористовуючі апарати, які використовуються в хімічній та харчовій промисловості для проведення теплообмінних процесів, називаються теплообмінниками. Процеси теплообміну мають велике значення в хімічній, металургійній, харчовій та іншій структурі промисловості.

В теплообмінних апаратах теплопередача від одного середовища до другого, через роздільну стінку, обумовлена великим числом факторів і є важким процесом, який прийнято розділяти на три різновиди теплообміну: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання.

Теплообмінники відрізняються різноманітністю конструкції, яке пояснюється застосуванням апаратів і умовами проведення процесів.

За принципом дії теплообмінники поділяються на поверхневі та теплообмінники змішування. В поверхневих апаратах робочі середовищі обмінюються теплом через стінки з теплопровідного матеріалу, а в змішувальних апаратах тепло передається при безпосередньому перемішуванні робочих середовищ. Змішувальні теплообмінники за конструкцією простіше ніж поверхневі: тепло в них використовується майже повністю. Вони використовуються в тих випадках при яких необхідне (допустиме) безпосереднє перемішування робочих середовищ.

Поверхневі теплообмінні апарати, в свою чергу, поділяються на рекуперативні і регенеративні. В рекуперативних апаратах теплообмін між різними теплоносіями відбувається через роздільні стінки. При цьому тепловий потік в кожній точці зберігає одне й теж направлення. В регенеративних теплообмінниках теплоносії поперемінно стикаються з однією й тією поверхнею нагріву. При цьому напрям теплового потоку в кожній точці стінки періодично змінюється.

. Опис об’єкта проектування

Об’єктом нашого дослідження виступає один з рекуперативних теплообмінників - апарат типу «труба в трубі». Він складається із ряду зовнішніх труб більшого діаметру і розміщених всередині них труб меншого діаметру. Внутрішні і зовнішні труби елементів з’єднанні один з одним послідовно за допомогою колін і патрубків.

Один з теплоносіїв рухається по внутрішній трубі, а інший по кільцевому каналі, створеному внутрішній і зовнішній трубами.

Теплообмін здійснюється через стінку внутрішньої труби. В цих теплообмінниках досягаються високі швидкості теплоносіїв як в трубах, так і в між трубному просторі.

При необхідності створення великих площ поверхонь теплопередачі теплообмінник роблять з декількох секцій, створюючи батарею.

Досягненням теплообмінникам типу «труба в трубі» є високий коефіцієнт теплопередачі внаслідок великої швидкості обох теплоносіїв, простота виготовлення.

Недоліками цих теплообмінників є насамперед громіздкість, висока металоємність, трудність очистки між трубчастого простору.

Теплообмінники «труба в трубі» використовуються при невеликих витратах теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами і між рідиною і конденсуючим паром.

В моєму теплообміннику продукт (яблучне пюре з вмістом сухих речовин В=11%) рухається з позиції А до позиції Б,по трубках меншого діаметру, які зроблені з латуні, йому на протитечії рухається теплоносій (суха насичена пара тиском з позиції В до позиції Г по трубках більшого діаметру, які зроблені з чавуну. Температура на вході продукту (яблучного пюре) повинна бути 20°С на виході 60°С. Продуктивність апарату передбачається G=1,0 кг/с.

2. Місце та призначення підігрівника типу «Труба в трубі» в технологічній схемі

В консервному виробництві широко використовується підігрів пюреподібних та рідких продуктів для різноманітних цілей.

Ось ми можемо побачити процес, зображений в технологічній схемі виробництві яблучного пюре.

Рис 1. Технологічна схема виготовлення яблучного пюре

3. Розрахунок

Початкові дані:

Продуктивність апарату: G = 1,0 кг/с;

Продукт: яблучне пюре зі вмістом сухих речовин В=11%;

Температура продукту:

на вході в апарат t1 = 20°С;

на виході з апарату t2 = 60°С;

Теплоносій: суха насичена пара тиском Р = 0,28 МПа;г.п. = 131.2 °С; (2,стор 292, табл. 38)

3.1 Тепловий розрахунок

Густина пюре, яке містить В = 11% сухих речовин при температурі 20°С визначається за формулою:

При середній температурі продукту:

Густина складає:

Коефіцієнт динамічної в’язкості для пюре при 20°С;  визначаємо за формулою:

а при середній температурі :

Теплоємність рослинної сировини в водних напівфабрикатах визначаємо за формулою:

де: W- вміст води в продукті, W=85%;

С - теплоємність сухих речовин, С - для яблук = 3,77…3,91 кДж/кг К

Приймаємо: ; тоді:

Коефіцієнт теплопровідності пюре з В=11% при 20°С:

а при середній температурі ;

Загальне теплове навантаження теплообмінника розраховуємо за формулою:

З рівняння теплового балансу знаходимо необхідну витрату пари:

де:  - ентальпія сухої насиченої пари, кДж/кг;

= 2722 кДж/кг (2,стор 292,табл. 38)

 - ентальпія плівки конденсату, кДж/кг;

де:  - ентальпія конденсату, кДж/кг;

- величина зменшення ентальпії конденсату,

Приймаємо:

тоді:

- коефіцієнт втрат тепла;

Приймаємо: , тоді:

Вибираємо величину швидкості руху продукту в трубі теплообмінника такою щоб забезпечити розвинутий турбулентний рух в трубах. Швидкість руху продукту буде -0,5…1,5 м/с. Приймаємо приблизну швидкість руху:  ; Розраховуємо внутрішній діаметр внутрішньої труби:

Трубу приймаємо:

тоді:   

де: - площа поперечного перетину труби,

; тоді:

;

За даною швидкістю знаходжу критерій Рейнольда, який характеризує режим руху рідини в трубці:

- говорить про розвинутий турбулентний рух продукту в трубі теплообмінника, що задовольняє завдання.

Для проведення подальших розрахунків, визначаємо приблизну температуру стінки  та температури плівки конденсату , за допомогою формул:

Визначаємо середню логарифмічну різницю температур теплоносіїв. Розрахунок ведемо для протитоку:

При  

Так як , то

Для визначення коефіцієнту тепловіддачі  - від пари до горизонтальної труби при конденсації використовуємо критеріальне рівняння:

де: - критерій конденсації,

де:  - критерій Галілея;

 - критерій Прандтля;

- критерій Кутателадзе;

де: характерний лінійний розмір (зовнішній діаметр), м;

- прискорення вільного падіння, ;

 - коефіцієнт кінематичної в’язкості конденсату,

 теплоємність конденсату,

коефіцієнт теплопровідності конденсату, ;

 прихована теплота пароутворення,

 - температурний напір;

Значення фізичних констант конденсату при температурі плівки конденсату: (2,стор 273, табл. 4)

тоді:

тоді:

Визначаємо величину коефіцієнта тепловіддачі

Коефіцієнт теплообміну від стінки труби до продукту визначаємо зрівняння:

де: - критерій Прандтля при середній температурі продукту:

де: - критерій Прандтля при середній температурі стінки; при

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від стінки трубки до продукту:

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від пари до продукту:

де: - товщина стінки, м;

- коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки при температурі стінки, при  (3, стор. 253, табл.. 1)

тоді:

Визначаємо зовнішню поверхню нагріву теплообмінника за формулою:

Визначаємо питомий тепловий потік:

;

Знаючи питомий потік, визначаємо температури на поверхні труби:

Визначаємо середню температуру стінки:

Отримане значення середньої температури стінки відрізняється від раніше прийнятої на: , що перевищує допустиму різницю в . Тому повторюємо розрахунок, застосовуючи нове значення температури стінки  тоді температура плівки конденсату:

;

Визначаємо фізичні константи плівки і конденсату:

тоді: ;

;

тоді:

Коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки труби:

;

Коефіцієнт теплообміну від стінки труби до продукту 6

; ;

Визначаємо уточнений коефіцієнт тепловіддачі від пари до продукту, що нагрівається:

; при ;

;

Уточнене значення поверхні нагріву теплообмінника:

;

Визначаємо питомий тепловий потік:

;

Уточнені значення температури стінки:

Середня температура стінки в другому наближенні:

;

Отримане значення відрізняється від раніше прийнятого  на , що менше допустимих , тому розрахунок можна вважати вірним.

теплообмінник труба насос ізоляція

3.2 Конструктивний розрахунок

Активну довжину трубки теплообмінника знаходимо за формулою:

;

де: - середній діаметр трубки, м.

;

тоді: ;

Як ми бачимо довжина в одному ході виходить великою, то для зменшення довжини теплообмінника робимо його чотирьохходовим

;

де: - кількість ходів.

Використовуючи рекомендовані довжини труб, приймаємо довжину одного ходу -

Внутрішній діаметр зовнішньої труби розраховуємо за формулою:

;

де: - густина пари при  ;

- швидкість руху пари, м/с.

; Приймаємо:

тоді:

Приймаєте найближче значення відповідно рекомендаціям, а оптимальним варіантом є: труба стальна газопровідна - ;

Тоді дійсна швидкість пари:

;

3.3 Розрахунок патрубків

Патрубки розраховуємо з урахуванням витрат та допустимих швидкостей. Патрубки для підведення й виведення продукту виконані в одне ціле з трубою теплообмінника.

Діаметр патрубка для подачі пари:

приймаємо швидкість руху пари у патрубку - ; тоді:

;

Приймаємо: ;

Діаметр патрубка для виведення конденсату:

;

де: - густина конденсату, ; при ; (2,стор 273, табл. 4)

- швидкість руху конденсату в патрубку, м/с; Приймаємо: ;

.

Приймаємо: .

3.4 гідравлічний розрахунок

Гідравлічний опір апарату розраховуємо за формулою:

;

де: - опір рідини по довжині труби, Па;

- опір рідини місцевим опорам, Па;

де: - довжина руху рідини в теплообміннику, м.

;

де: x - кількість місцевих опорів,

R - радіус гнуття калачів,  (1,стор.18), тоді:

;

;

;

Загальний опір: .

3.5 Розрахунок потужності на валу насоса

По сумарній втраті тиску визначаємо потужність на валу насоса, необхідну для переміщення теплоносія через апарат:

;

де:  - ККД насоса, для центробіжних насосів

приймаємо: , тоді:

3.6 Розрахунок теплової ізоляції

Приймаємо ізоляцію із совеліта. Вона підходить за багатьма факторами.

Коефіцієнт теплопровідності складе:

;

Необхідну товщину теплової ізоляції обчислюється за формулою:

;

де: - температура відповідно в апараті, на поверхні ізоляції та повітря,

- сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, ;

; тоді:

;

Приймаємо товщину теплової ізоляції .

4. Технічні показники

Спроектований апарат має такі техніко-економічні властивості:

-           площа поверхні теплообміну: ;

-           продуктивність за продуктом: ;

-           гарячий теплоносій - суха насичена пара тиском ;

-           холодний теплоносій яблучне пюре з концентрацією сухих речовин , початкова температура , кінцева температура ;

-           кількість ходів - 4

-           довжина труби в одному ході -2,25 м.

-           гідравлічний опір дорівнює 9336,16 Па;

-           потужність на валу насосу є N = 11,30 Вт;

-           товщину теплової ізоляції приймаємо 35 мм.

Отже, ми можемо сказати що, в цілому наш спроектований апарат не відрізняється від аналогів.

5. Умови безпечної експлуатації апарату та питання екології

Машини, апарати та інше обладнання, що застосовується в різних галузях промисловості, різні за принципом дії, типами, конструкціями та розмірами. Тому існують вимоги, які забезпечують безперебійну та безпечну роботу обладнання

Необхідними умовами безпечної експлуатації є:

-    виготовлення та монтаж теплообмінника в точній відповідності з проектною і монтажною документацією.

-           підгонка і приєднання всіх трубопроводів відповідно до технологічної схеми, набивання і затягування фланцевих з’єднань і їх герметизація

-           приєднання допоміжних пристроїв і механізмів, установка арматури і контрольно-вимірювальних приладів.

-           випробування теплообмінника на міцність і герметичність; здача інспектору Держміськтехнагляду;

-           проведення пробної експлуатації;

-           проведення робіт теплоізоляцій;

-           наявність інструкцій затверджених в установленому порядку, відповідно до яких повинна проводиться експлуатація теплообмінника;

-           своєчасне проведення ремонтних робіт;

-           систематичний контроль за роботою конденсатовідвідника;

-           систематична перевірка запобіжних клапанів.

Перш за все, теплообмінник повинен працювати в оптимальному тепловому режимі, який відповідає технологічному режиму теплової обробки. Теплообмінник повинен забезпечувати системою автоматичного регулювання температури і тиску вхідного теплоносія і температури продукту, що входить.

Питання екології

Шкідливих відходів і викидів при роботі теплообмінника немає. Тому при зупинці виробництва повинно тільки вжити заходів, що включають псування і втрату води.

При відновленні теплоізоляцій і фарбуванні устаткування, повинно бути вжити заходів, що виключають забруднення навколишнього середовища.

При проведенні очищення поверхні теплообмінника від забруднень повинно бути вжити заходів що виключають забруднення навколишнього середовища шкідливими речовинами (каустичною содою, хлорним вапном, гасом і т.п.).

ЗАКІНЧЕННЯ

Отже, ми підійшли до закінчення курсового проектування і можемо сказати що спроектований апарат, в цілому, не відрізняється від аналогів описаних в літературі.

-    теплообмінник має 4 ходи;

-           площа поверхні теплообміну: 0,9747 м²;

-           продуктивність за продуктом 1,0 кг/с;

-           ізоляція була прийнята із совеліта (має маленький коефіцієнт теплопровідності, достатньо міцна, дешева та має довгий термін використання під час експлуатації);

-           активна довжина теплообмінника є 8,993 м;

-           швидкість пари в теплообміннику є 19,93 м/с;

-           швидкість продукту (яблучне пюре з вмістом сухих речовин 11%) - 1,283 м/с;

Отож наш розрахований теплообмінник типу «Труба в трубі» відповідає нормам і може бути використаний для здобування нових перемог в харчовій промисловості.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Теплообмінні апарати. Методичні рекомендації до виконання курсових проектів з дисципліни «Процеси та апарати харчових виробництв» - Полтава: ПКІ, 2000.-36 с.

. Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств. С.М. Гребенюк и др. - Агропромиздат, 1987.Том 2 -346 с.

3. Справочник по теплообменникам. Том 2.- М. Енергоиздат, 1985. 240 с.

4. Процеси і апарати харчових виробництв. І.Ф. Малежик. Київ НУХТ, 2003. - 395 с.