Многоходовый кожухотрубный теплообменник

Содержание

 

1. Задание на проектирование.

2. Использование теплообменников в технологических процессах на предприятиях пищевой промышленности.

3. Описание аппаратурно-технологической схемы (дать название конкретной схемы).

4. Методика расчёт а поверхностных теплообменников.

4.1. Определение количества переданной теплоты Q и расхода греющего пара Д.

4.2. Определение средней движущей силы процесса теплопередачи .

4.3. Расчет коэффициента теплопередачи от пара к стенке трубок.

4.4. Определение критериев Рейнольдса (Re), Прандтля (Pr), Нуссельта (Nu) и коэффициента теплопередачи и от стенки к воде.

4.5. Определение коэффициента теплопередачи К от пара к воде.

4.6. Определение поверхности теплообменника F

5. Конструктивный расчет теплообменника.

5.1. Определение общего количества трубок в теплообменнике.

5.2. Определение общего количества трубок на один ход теплообменника.

5.3. Определение числа ходов теплообменника Z и уточнение числа трубок n.

5.4. Определение внутреннего диаметра корпуса теплообменника Д.

6. Прочностной расчет теплообменника.

6.1. Определение толщины стенки корпуса теплообменника

6.2. Определение толщины  стальных трубных решеток

6.3. Расчет фланцевых соединений.

7. Определение диаметров штуцеров.

8. Список рекомендуемой литературы.

1. 9. Приложение. 
   Задание на проектирование

 

Рассчитать и спроектировать вертикальный многоходовой кожухотрубный теплообменник типа ТН для нагрева воды в технологическом процессе

 

 

Начальная  и  конечная температура воды соответственно ,С. Вода поступает в трубное пространство теплообменника и проходит по стальным трубкам диаметром 25*2 мм и высотой Н (м) с оптимальной скоростью(м/с). Обогрев осуществляется насыщенным греющим паром с давлением Р(МПа).  Потери тепла в окружающую среду применять в размере 5%.

 

 

 

            Числовые данные по шрифту.

 

G =29 кг/с – весовая секундная производительность по воде;

=17 C - начальная температура воды на выходе из теплообменника

=83 C - конечная температура воды в теплообменнике.

                                                  

= 0,025-2 внутренний диаметр трубок.

Н =2,5 м – длина трубок на 1 ход.

V = 1 м/с – скорость движения  воды в трубах (применяем как

оптимальное).

Р =0,30 МПа - давление греющего пара в межтрубном пространстве.

 

 

 

 

 

2. Использование теплообменников в технологических процессах на предприятиях пищевой промышленности

Теплообменные аппараты являются составной частью многих технологических линий пищевой промышленности. Горячая вода, например, находит применение в ряде технологических процессов на предприятиях пищевой промышленности.

- технология сахарного производства, при получении диффузионного сока из свекловичной стружки;

- технология крахмалопаточного производства, при замачивании кукурузного зерна с повышенной температурой и при гидролизации крахмала;

- технология хлебопекарного производства, когда подогретая примерно до 300 вода используется для растворения соли, сахара и приготовления теста;

- технология бродильных производств при дроблении солода в дробилках, при затирании зернопродуктов, при промывке солодовой и хмельной дробины;

- технология консервного производства, при баланшировании плодоовощной продукции, перед расфасовкой в тару и на ряде других технологических линий;

 

3. Диффузионный процесс извлечения сахара-песка из

свекловичной стружки в технологии сахарного производства.

Описание аппаратурно-технологической схемы процесса.

 

Примерно до 1800 года диффузионный сок для получения сахара из свекловичной стружки получали прессовым способом. При этом способе извлекали из свеклы 70-80% сока и потери сахара были очень велики.

Диффузионный процесс позволил повысить степень извлечения сахара из свеклы, сократить затраты труда и повысить чистоту получаемого сока.

Диффузия – это способность проникать друг в друга приведенных в соприкосновение смешивающихся между собой различных веществ до достижения равновесия. Движущаяся сила диффузии – разность концентрации веществ в соприкасающихся растворах. Для данного примера – это разность концентрации сахара в стружке свеклы (С) и в растворителе (воде) или диффузионном соке (с), т.е.(С-с).

Количество сахара S, перешедшего из стружки в растворитель, подчиняется закону Фика:

                                   S=Д ,                                               (1)

где  Д – коэффициент диффузии;

F,x – площадь и толщина  слоя соприкасающихся веществ;

t – время соприкосновения  слоев.

Величина Д зависит от рода диффундирующего вещества и от температуры диффузии. С повышением температуры Д увеличивается, т.к. возрастает скорость движения молекул, уменьшается вязкость растворителя и молекулам сахара легче продвигаться между молекулами растворителя. В сахарном производстве при получении сока проходят три основных вида диффузии.

В начале процесса, при соприкосновении стружки и воды происходит свободная диффузия, затем вода проникает в клеточный сок (осмос), и после прогрева стружки до 600С и свертывания протоплазмы начинается основной процесс извлечения сахара из вакуолей клеток свеклы в диффузионный сок (диализ).

Типовым диффузионным аппаратом на сахарных заводах России является наклонный аппарат С-17. Он рассчитан на производительность 1500 т свеклы в сутки. Корпус этого аппарата представляет собой корытообразный желоб длинной 22,5 м и шириной 4,1 м, днище которого составлено из двух цилиндрических поверхностей. Корпус установлен под углом 80 и снабжен паровыми камерами для нагрева соко-стружечной смеси. Внутри корпуса вращаются в противоположные стороны два параллельных одинаковых шнека диаметром 2,4 м Витки одного шнека заходят в витки другого, что предотвращает вращение стружки вместе со шнеком. Частота вращения шнека 0,4 – 1,2 об/мин.

Аппаратурно-технологическая схема представлена на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

              Свекловичную стружку загружают в нижнюю часть диффузионного

аппарата 1, откуда она шнеками передвигается в верхнюю ее часть, куда поступает свежая горячая и жомопрессовая вода. Здесь же находится колесо 2 для выгрузки обессахаренной стружки (жома). Свекловичный жом отжимается с возвращением жидкой части в аппарат 1, а оставшаяся стружка проходит сушку и используется на корм скоту. Потеря с обессахаренной стружкой составляет 0,25- 0,3% к массе свеклы.

              Из нижней части аппарата 1 через  сито откачивается насосом 3

диффузионный сок, который идет на завод в дальнейшую переработку. Его

подвергают очистке, сгущают в сироп из выпарных аппаратах и уваривают в

вакуум-аппарате. В процессе уваривания часть сахара выкристаллизовывается и получается утфель1. Кристаллы сахара отделяют от паточного раствора на центрифугах, промывают горячей водой, высушивают до влажности не более 0,14% и упаковывают как продукт в пакеты и мешки.

          Оставшийся маточный раствор еще раз уваривают в вакуум-аппарате и

получают утфель 2. Чтобы получить больше кристаллов сахара, утфель 2

охлаждают в кристаллизаторах с 80° до 40°С.

          После отделения на центрифугах из утфеля2 получаются кристаллы сахара пониженного качества(желтый сахар) и отход производства -меласса. Желтый сахар растворяют (клеруют) в диффузионном соке и прибавляют к сиропу из варки утфеля 1 с тем, чтобы увеличить процент выхода продукта высокого качества.

            Аппараты С-17 непрерывного действия работают при температуре не

выше 72°С, т.к. при этой температуре начинается размягчение стружки из-за

начального гидролиза протопектина.

            Температура ниже 70°С также опасна из-за усиления действия микроорганизмов.

           Осуществлять работу диффузионного аппарата в указанном интервале

температур позволяет регулируемый подвод тепла с насыщенным греющим

паром в рубашку аппарата 1 и подача в него подогретой воды. Пар поступает с заданным давлением Р, а вода с заданным расходом и температурой.

           Вода из напорного бака 4 проходит трубное пространство кожухотрубного теплообменника 5, нагревается паром до заданной температуры и с помощью насоса 6 направляется в напорный бак горячей воды 7.Горячая вода из бака 7 поступает в коллектор-смеситель 8, где температуру воды доводят до технологических параметров(около 70°С) и вместе с жомопрессовой водой направляют в диффузионный аппарат 1. Конденсат из теплообменника 5 и аппарата 1 проходит конденсатоотводчик 9 и направляется в сборник конденсата. Конденсат может быть использован для технологических нужд при промывке аппаратов.                                          
4. Методика расчета поверхностных теплообменников.

 

Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой по трубному пространству кожухотрубный теплообменник жесткой конструкции.

Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и усовершенствования тепловой аппаратуры пищевых производств. Разбивка пучка трубок на ходы и установка межтрубных перегородок приводит к повышению скорости движения рабочих тел, и интенсирует теплообмен в подогревателях.

К поверхностным теплообменникам, в которых передача тела осуществляется через стенку, разграничивающую теплоносители, относятся теплообменники типа «труба в трубе», змеевиковые, кожухотрубные и другие.

Расчет поверхностных теплообменников содержит тепловой, конструктивный и прочностной расчеты.

Процесс передачи тепла от горячего теплоносителя холодному, учитывающей теплоотдачу от горячего теплоносителя стенке, теплопроводность стенки и теплоотдачу от стенки к холодному теплоносителю, подчиняется основному уравнению теплопередачи, которое для установившихся процессов имеет вид:

                                

                                                                                       (2)

 

Пользуясь уравнением (2) , определяем теплопередающую поверхность температуры F:

                                         F =                                                        (3)

 

Где F – теплопередающая поверхность теплообменника, м2;

Q – количество теплоты, переданное от горячего теплоносителя холодному через стенки нагревательных трубок, Вт.

Значение Q определяется из уравнения теплового баланса теплообменника.

– температурный перепад или средняя движущая сила теплового

процесса, градусы.

Значение определяется из статистики теплового процесса с учетом разницы температур на входе и выходе из теплообменника по среднеарифметической или среднелагорифмической формулам.

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2

Он учитывает теплоотдачу от горячего теплоносителя к стенке и коэффициент теплоотдачи, теплопроводность материала стенки нагревательной трубки и ее толщину б, теплоотдачи от нагретой стенки трубки к холодному теплоносителю и коэффициент теплоотдачи

Определяем значение К по формуле:

 

 

Значения коэффициентов теплоотдачи и определяют через критериальные уравнения Nu=f(Re,Pr…), где Nu – критерий Нуссельта, который характеризует теплоотдачу, связан с коэффициентом теплоотдачи а.

Определив F по выражению (2), можем определить и габаритные размеры аппарата, число нагревательных трубок и число ходов.

Тепловой расчет теплообменника включает определение величин Q, , К и последующее определение теплопередающей поверхности теплообменника F по выражению (3). Для этих расчетов необходимо знать физические параметры теплоносителей.

Для горячего теплоносителя эти параметры определяются по таблицам приложений при температуре пленки конденсата. Эта температура примерно на 3 ниже температуры греющего пара, которую определяют по заданному давлению пара Р. Для холодного теплоносителя – физические параметры воды определяют по средней температуре воды.

Для определения физических параметров часто используют метод интерполяции, что допустимо для инженерных расчетов.

По воде при

 кг/м3 – плотность;

 Дж/(кг К) –  средняя удельная теплоемкость;

 Вт/(м К) – теплопроводность;

 Па с – коэффициент динамической вязкости;

V=0,556м2/с – коэффициент кинематической вязкости.

По пару при  t пленки:

 температура греющего пара по заданному давлению