Обоснование параметров процессов и аппаратов при переработке с/х продукции

Цилиндрические трубки имеют относительно неблагоприятное с точки зрения теплообмена отношение площади проходного сечения к площади их поверхности: поверхность относительно мала. В связи с этим для нагрева больших массовых потоков жидкости, текущих по трубам, требуется большая длина труб. Поэтому для сокращения размеров теплообменников их разделяют на секции, соединенные последовательно. Общая длина пути теплоносителя при этом увеличивается. Такие теплообменники называют многоходовыми. Известны разнообразные конструкции многоходовых теплообменников: с перекрывающими движение перегородками; с U-образными трубками на одной трубной решетке, вынимаемой из корпуса; с плавающей головкой - коллектором, заменяющим нижнюю соединительную часть U-образных трубок, и др. Вход и выход теплоносителя в теплообменниках устраивают таким образом, чтобы естественное тепловое конвективное движение совпадало с направлением принудительного движения теплоносителя. Для этого более теплый и охлаждающийся компонент подводят сверху, а холодный подогреваемый - снизу. Это условие невозможно выдержать в многоходовых теплообменниках, установленных вертикально, поэтому их часто устанавливают горизонтально.

Рис. 25.5. Схема многоходового кожухотрубного теплообменника:

а – схема; б – верхняя коробка; в – нижняя коробка; г – расположение ходов. Цифрами обозначены номера полостей перетекания жидкости между ходами: 1 – 8 – полости верхней коробки

Цилиндрические трубки имеют относительно неблагоприятное с точки зрения теплообмена отношение площади проходного сечения к площади их поверхности: поверхность относительно мала. В связи с этим для нагрева больших массовых потоков жидкости, текущих по трубам, требуется большая длина труб. Поэтому для сокращения размеров теплообменников их разделяют на секции, соединенные последовательно. Общая длина пути теплоносителя при этом увеличивается. Такие теплообменники называют многоходовыми. Известны разнообразные конструкции многоходовых теплообменников: с перекрывающими движение перегородками; с U-образными трубками на одной трубной решетке, вынимаемой из корпуса; с плавающей головкой - коллектором, заменяющим нижнюю соединительную часть U-образных трубок, и др. Вход и выход теплоносителя в теплообменниках устраивают таким образом, чтобы естественное тепловое конвективное движение совпадало с направлением принудительного движения теплоносителя. Для этого более теплый и охлаждающийся компонент подводят сверху, а холодный подогреваемый - снизу. Это условие невозможно выдержать в многоходовых теплообменниках, установленных вертикально, поэтому их часто устанавливают горизонтально.

Одноходовые теплообменники предпочтительно устанавливать вертикально. Однако имеются и другие соображения, которые могут заставить изменить способ их установки: удобство чистки труб, удобство монтажа в конкретном здании и др.

На рисунке 25.5, а приведен продольный разрез четырехходового теплообменника, на рисунке 25.5, б показано устройство перегородок в его верхней и нижней распределительных коробках. Две перегородки в верхней коробке обозначены сплошными линиями, одна перегородка в нижней коробке показана пунктирной линией. На рисунке 25.5, в, г приведено устройство перегородок в верхней и нижней распределительных головках восьмиходового кожухотрубного теплообменника.

Элементные теплообменники (составленные из простых однотипных элементов). Их применяют как скоростные, т. е. при больших скоростях течения, а также при высокой стоимости теплоносителя (в холодильной технике). В элементных холодильниках входная и выходная полости отсутствуют и благодаря этому их рабочие полости минимизируются. В результате теплоносителя требуется меньше. В таких теплообменниках можно соблюсти противоточное движение компонентов и выдержать желаемые их скорости.

Погружной трубчатый теплообменник. Имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью. Более горячее рабочее тело обычно подают в змеевик сверху. Теплообмен может интенсифицироваться мешалками. Витки змеевика скрепляют планками для прочности. Такие теплообменники применяют при большом давлении в трубках, а также в качестве дополнительных подогревателей.

Оросительные теплообменники. Это трубчатые спирали с горизонтальными витками, размешенными в одной вертикальной плоскости. При орошении верхнего витка этой спирали вода стекает на нижерасположенные витки и охлаждает также и их. Применяют оросительные теплообменники в холодильной технике при высоком давлении внутри трубок.

Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева. Это оребренные трубчатые теплообменники с ребрами в виде пластин (калориферы) и пластинчатые теплообменники.

Живое сечение межтрубного пространства калориферов составляет около 40%. Их расчет выполняют по справочным данным каталогов калориферов, в которых приводят коэффициент теплопередачи в зависимости от скорости воздуха и температуры теплоносителя, а также гидравлическое сопротивление по воздушному тракту.

Пластинчатые жидкостные и парожидкостные теплообменники собирают из пакетов стальных штампованных пластин. Такие элементы соединяют в батареи.

Пластинчатые жидкостно-жидкостные теплообменники, работающие при атмосферном давлении, в настоящее время наиболее эффективны.

Применяют их в разнообразных теплотехнических устройствах. Большой вклад в разработку пластинчатых теплообменников внесла шведская фирма «Альфа Лаваль». Теплообменники этой фирмы представляют собой набор плоских или гофрированных пластин толщиной 0,3...0,4 мм, располагаемых эквидистантно с зазором между ними до 2 мм. По одну сторону каждой такой пластины течет один теплоноситель, а по другую - второй. Системы ходов жидкости на каждой пластине объединяются в два подводящих и два отводящих патрубка - по одной паре для каждого из двух теплоносителей. Пластины собираются в блоки пайкой или стягиваются болтами через уплотнительные прокладки и нажимные пластины (рис. 25.7).

Наиболее широко пластинчатые теплообменники используют как бойлеры или нагреватели холодной воды в системах горячего водоснабжения. В бойлерах высокотемпературный теплоноситель, например вода из системы отопления температурой 90...95 °С, постоянно протекает через них. При подаче на вход второго контура бойлера холодная вода нагревается практически за доли секунды и поступает в систему горячего водоснабжения.

Для обеспечения горячей водой одной квартиры при расходе воды I3...15 дм3/мин используют пластинчатый теплообменник из 8...10 пластин (общая толщина теплообменника оказывается равной 4...6 см) при поперечных размерах 10 х 20 см. Столь малые размеры теплообменника при столь высоких параметрах эффективности позволили поднять на качественно новый уровень конструкции котлов для бытового отопления и горячего водоснабжения.

Рис. 25.7. Схема движения жидких теплоносителей в пластинчатом теплообменнике:

1 – пластина; 2 – стойка; 3 – подвижная плита; 4 – направляющая стяжная шпилька; 5, 6 – верхний и нижний несущие брусья

2. Проектирование выпарного аппарата

2.1. Конструкция и рабочий процесс проектируемого аппарата

Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах.

Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (см. рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса-1, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками-2 с закрепленными в них греющими трубами-3 (см. рис. 2), концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. 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-5. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки-4. 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.

Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе,  вертикальные  или горизонтальные. В  соответствии с ГОСТ 15121-79,  теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Греющие трубы в трубных решетках размещают 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.

Из-за маленькой скорости движения теплоносителей одноходовые теплообменники характеризуются низкими коэффициентами теплоотдачи. С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Так же секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок. Благодаря всем этим способам достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве.

При проектировании кожухотрубных теплообменников теплоноситель, который наиболее загрязняет поверхность теплообмена, направляют в трубное пространство, которое легче очищать.

2.2. Расчетная часть

В проектных тепловых расчетах подогревателей определяют:

1)   среднюю разность температур и средние температуры рабочих тел;

2)   тепловую  нагрузку и расход рабочих тел;

3)   коэффициент теплопередачи;

4)   поверхность нагрева.

Тепловой расчет сопровождается расчетом гидравлического сопротивления теплообменника и конструктивным расчетом.

Рассмотрим методику теплового расчета наиболее распространенного паро-жидкостного трубчатого подогревателя.

Исходные данные

Количество подогреваемого продукта G=5 кг/с

начальная температура продукта tн=60 °С

конечная температура продукта tк= 100 °С

Температурные условия нагревания

При давлении пара Р=0,2 МПа определяют температуру его насыщения ts. При этом разности температур в начале и в конце нагревания будут равны

, град.                                               (1)

, град.                                               (2)

град.

град.

где               – температура пара, принимаем °С /4/, °С

Средняя  разность температур равна

, град.                                         (3)

град.

Средняя температура нагреваемого раствора равна

град.                                           (4)

град.

Тепловая нагрузка и расход пара

Затраты теплоты на  нагревание продукта с учётом тепловых потерь

, кДж,                                (5)

где              kтп – коэффициент, учитывающий тепловые потери (kтп =1,02..1,05 /4/);

G – расход нагреваемого продукта, кг/с.

, кДж,

Расход пара равен:

кг/с,                                               (6)

где               – удельная энтальпия пара, принимаем по рекомендации Назарова И.В. кДж/кг, кДж/кг;

– удельная энтальпия конденсата, принимаем по рекомендации Назарова И.В. кДж/кг, кДж/кг;

кг/с,

Расчёт коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи на 1 м длины теплообменника равен

Действительный коэффициент теплопередачи равен

Кд=φ∙К, Вт/(м∙°С),                                               (7)

где               К – коэффициент теплопередачи на 1 м длины теплообменника, принимаем по рекомендации Назарова И.В. .

Кд=0,8∙1,5=1,2 Вт/(м∙°С)

Определение поверхности нагрева

Поверхность нагрева подогревателя определяют по  формуле:

, м2,                                               (8)

м2,

Конструктивный расчёт подогревателя

Общей задачей конструктивного расчета является определение основных размеров теплообменника. Конструктивный расчет выполняют для каждого типа теплообменника. При этом определяют:

а)              размеры проточной части трубного пространства;

б)              размещение трубок на  решетке;

в)              диаметр корпуса  аппарата;

г)              диаметры патрубков.

Проточную часть межтрубного пространства рассчитывают, если теплоноситель жидкий.

По известному расходу продукта G кг/ч, его плотности ρ кг/м3 и скорости движения υ м/с определяют площадь сечения трубок одного хода