Одноходовой теплообменник

 

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра Химической технологии

 

 

        Допускаю  к защите                       

                                                              Руководитель  _______________ 

Н.Д. Губанов

 

 

Спроектировать теплообменник для нагревания воздуха. Вариант 2

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

 

Процессы и аппараты пищевых производств

1.007.00.00ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группыТПб-11-1                  __________     А.В.Кувшинова

 шифр

 

Нормоконтроль____________________________________________Н.Д.Губанов

 

 

Курсовой проект защищен с оценкой___________________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013 г.

		СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................			4
1	Выборконструкционногоматериала………………………………………….6
2	Технологическийрасчет.....................................................................................		7
	2.1	Общийтепловой баланс..............................................................................	7
	2.2	Расчетрасходагорячего теплоносителя....................................................	8
	2.3	Средняяразность температур.....................................................................	8
	2.4	Расчеториентировочнойповерхноститеплопередачи.
	Выбортеплообменного аппарата.....................................................................		9
	2.5	Уточненныйрасчеттеплообменногоаппарата........................................	.9
3	Гидравлический расчет.......................................................................................		13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...…………………………………………………….……..……..15

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................................

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

 

• поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

 

• регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;
• смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

 

• химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Одним из самых распространенных типов теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из себя пучок труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

 

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные.

 

Достоинствами кожухотрубчатых  теплообменников  являются:  компактность; небольшой расход метала;  легкость очистки труб изнутри,  а недостатками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность  очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

 

Теплообменные аппараты изготавливают (по ГОСТ 15120-79):

 

1. по расположению – вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

 

2. по числу ходов в трубном пространстве – одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырех ходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми (типы Н, К и П)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Выбор конструкционного материала

Так как среда в аппарате коррозионная, то для деталей теплообменного кожухотрубчатого аппарата, соприкасающихся с разделяемой средой, выбираем сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, а для остальных – сталь Ст 3 ГОСТ 380-71.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технологический расчет

1. Общий тепловой баланс

    В задании проекта  надо нагреть воду от 10 до 70ºС, для этого используем насыщенный водяной пар, который применяется в пищевой промышленности для нагрева до температуры 256ºС. Принимаем температуру для расчета 108,7ºС.

Определим среднюю температуру холодного теплоносителя (воды):

= 0.5*(                                            (2.1)       

При этой температуре вода имеет следующие физико-химические показатели [1]:

-теплоемкость  холодного теплоносителя

=4180Дж/кг⋅К;

- число Прандтля холодного  теплоносителя

 

-коэффициент  теплопроводности холодного теплоносителя

 

µ2-вязкость динамическая холодного теплоносителя

 Па⋅с

-плотность холодного  теплоносителя

 

Тепловую нагрузку в соответствии с заданными техническими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей по формуле [2]

                                                                        (2.2)

Тепловые потери при наличии теплоизоляции незначительны, поэтому в уравнении теплового баланса они не учитываются.

Тепловая нагрузка аппарата составит

Qобщ = 1,03*(2,0⋅4180⋅(65−5))=516648Вт.

2.2 Расход горячего теплоносителя

В качестве горячего теплоносителя примем насыщенный водяной пар с температурой конденсации 108,7°С. При этой температуре насыщенный пар имеет следующие физико-химические показатели [2, стр. 537]:

- коэффициент  теплопроводности горячего теплоносителя:

 

-вязкость динамическая  горячего теплоносителя

 

-плотность горячего  теплоносителя

 

Pr1 - число Прандтля горячего теплоносителя

 

Расход пара определяется из уравнения теплового баланса, где r1  - удельная теплота парообразования.

                                                         (2.3)

2.3 Средняя разность температур

В кожухотрубчатом теплообменнике схема взаимного движения теплоносителей – противоток.

Для установившегося процесса теплообмена в случае противотока, для расчета средней разности температур используем формулу

                                                                                                  (2.4)

где ∆tБ и ∆tМ - большая и меньшая разности температур на концах поверхности теплообмена.

∆tБ =108,7 −10 = 88,7°C;

∆tМ =108,7 −70 = 38,7°C ;

 

2.4 Расчет ориентировочной  поверхности теплопередачи

Выбор теплообменного аппарата

Ориентировочный коэффициент теплопередачи в кожухотрубчатых теплообменниках примем KОР = 200 Вт/м2⋅К (от конденсирующегося водяного пара к воде) [1].

Зная тепловую нагрузку аппарата, рассчитав среднею разность температур и выбрав ориентировочный коэффициент теплопередачи, определим ориентировочную поверхность теплообмена

                                                                (2.5)

Принимаем к установке одноходовой кожухотрубчатый теплообменный аппарат типа 325 ТКГ-16-М1-0/25-2-2 гр. А ГОСТ 15120-79:

1. Диаметр кожуха наружный Dн = 325 мм;
2. Длина труб lтр =1500 мм;
3. Длина аппарата L = 2000 мм;
4. Поверхность теплообмена F = 7,5 м2;
5. Диаметр труб 25×2 мм;
6. Число ходов – 2;
7. Общее число труб – 62 штук.

Так как теплообменник одноходовой, поправку для среднелогарифмической разности температур рассчитывать не нужно.

 

2.5 Уточненный расчет выбранного теплообменного аппарата

 Расчет коэффициента  теплоотдачи холодного теплоносителя

Объемный расход холодного теплоносителя:

 

 

где - площадь сечения одного хода по трубам.

Определим тип движения в каналах, для этого найдем число Рейнольдса:                                                                                         (2.6)

где Re – число Рейнольдса;

dЭ-эквивалентный диаметр, 0,021м для труб диаметром25×2мм;

µ -вязкость теплоносителя,Па∙с.

Для холодного теплоносителя по формуле (2.6)

 

Режим движения турбулентный.

Выбираем формулу для расчета критерия Нуссельта:

                                                                     (2.7)

 

 

Горячий теплоноситель меняет свое агрегатное состояние, поэтому для расчета коэффициента теплоотдачи используем формулу

                                                                        (2.8)

 

Термическим сопротивлением со стороны пара можно пренебречь, для воды 1/rЗ.Х.=5800 Вт/м2·К. Повышенная коррозийная активность конденсирующегося пара диктует применять нержавеющую сталь в качестве материала для труб. Теплопроводность нержавеющей стали [1], при толщине стенки 2,0 мм, примем равную λСТ=17,5 Вт/м2·К. Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна :

(2.9)  Найдем коэффициент теплопередачи:

                                                                                          (2.10)

Коэффициент теплопередачи:

 

Первое приближение расчёта температур стенок

Горячий теплоноситель

 

(2.11)

 

                (2.12)

При этой температуре греющий пар имеет следующие физико-химические показатели:

λ1-коэффициент теплопроводности горячего теплоносителя

 

µ1-вязкость динамическая горячего теплоносителя

 

ρ1-плотность горячего теплоносителя:

 

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

 

Холодный теплоноситель

 

 

 

 

 

Запас прочности будет равен

 

Запас поверхности теплопередачи достаточен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Гидравлический расчет

Скорость жидкости в трубах рассчитаем по уравнению :

                                                                                            (3.1)

Коэффициент трения

                                                                     (3.2)

где относительная шероховатость труб;

∆ - высота выступов шероховатостей (в расчетах можно принять ∆ = 0,2мм)

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах.

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:

- входная и  выходная камеры;

- поворот между  ходами;

- вход в трубы  и выход из них.

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выхо-де из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах.

Расчетные формулы для определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве окончательно принимают вид:

      (3.3)

где z – число ходов по трубам.

Коэффициенттрения

 

Диаметр штуцеров в распределительной камере dтр.ш. = 0,150 м; скорость штуцеров