Автор: Пользователь скрыл имя, 20 Декабря 2014 в 16:46, курсовая работа
Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.
Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное
образовательное учреждение
высшего пРофессионального образования
российский государственный аграрный университет – МСха имени К.А. Тимирязева
(ФГОУ ВПО ргау - МСХА имени К.А. Тимирязева)
Кафедра процессов и аппаратов перерабатывающих производств
Курсовая работа
по дисциплине «Теплотехника»
Тема: « Теплообменная установка для охлаждения виноградного сока производительностью 6100 кг/час»
Исполнитель: студентка группы 202 техн. факультета
Якунина Анастасия Валерьевна
(Ф. И. О. студента)
Допущен к защите « » 2011 г.
Дата защиты: 2011 г.
Оценка:
Преподаватель Стефановский В.М.
(Ф.И.О и подпись преподавателя)
Москва, 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.
Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и др.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств. Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких до нескольких тысяч квадратных метров в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.
Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам.
Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе ”состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две сосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.
Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.
Недостатки двухтрубного теплообменника: громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.
Вино сухое - один из важнейших и наиболее ценных в пищевом и диетическом отношении компонент питания. Основные сахара виноградного сока - глюкоза и фруктоза - усваиваются организмом непосредственно. Яблочная и винная кислоты обусловливают диуретические свойства сока. Кроме того, весьма ценным является наличие в соке винограда биологически активных веществ и витаминов.
При производстве вино сухое важную роль играют теплообменные процессы на различных технологических стадиях. Для того чтобы подобрать насос для определенного вида продукции, нам необходимо узнать характеристики гидравлической силы.
Основной целью курсовой работы является приобретение умений и навыков, позволяющих осуществлять техническую реализацию и инженерные расчеты, связанные с грамотной эксплуатацией теплоиспользующих установок, в том числе касающихся транспортирования жидких пищевых сред по трубопроводам с помощью насосов.
Курсовая работа носит проектно-конструкторский характер и логическим завершением этой работы является конструкторский расчет теплообменной установки типа «труба в трубе», где будут определены основные параметры и характеристики устройства, а так же предоставление графической схемы теплообменника.
Основная часть курсовой работы включает в себя тепловой, конструктивный, гидравлический расчеты и расчет тепловой изоляции. Все эти расчеты ведутся по отношению теплообменника конструкции «труба в трубе» и представлены в соответствующих подразделах ниже.
Данные:
1) кинематическая вязкость продукта (вино сухое):
n2 =1,6× 10-6, ;
2) плотность продукта (вино сухое): r2 =994 ;
3)удельная теплоёмкость продукта (вино сухое):
= 3,8 ;
4)теплопроводность продукта (вино сухое): = 0,48 ;
5) производительность установки (вино сухое): М2 = 6100 .
6) начальная температура продукта (виноградный сок) = 21 ;
7) конечная температура продукта (виноградный сок): = 85 ;
8) начальная температура теплоносителя (вода): = 93 ;
9) массовый расход теплоносителя (вода): М1 = 1840 .
Независимо от типа аппарата площадь поверхности нагрева определяется из основного уравнения теплопередачи:
откуда, поверхность нагрева (в м2)
где Q – тепловой поток, переданный холодному теплоносителю, Вт;
k − коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 град);
– средний температурный напор, °С.
Количество тепла, которое необходимо сообщить пищевой среде производится по уравнению теплового баланса. Так как в нашем случае теплоносителе является жидкость, то уравнение теплового баланса имеет вид:
Следовательно, исходя из уравнения (3), количество тепла будет равно:
Конечная температура теплоносителя:
;
Определим расход внутренней трубы:
1. ;
Примем скорость виноградного сока равную 1,5м/с, следовательно, диаметр будет равен:
, м
;
Выбираем из таблицы П-4 стандартный диаметр трубы, равный 0,035м.
Пересчитаем скорость с полученным диаметром:
;
При полученном результате можно сделать вывод: так как Re = 32735,3
При развитом турбулентном режиме течения теплоносителя в прямых трубах (Re >10000) критериальное уравнение имеет вид:
Где , Pr = и
, тогда
Для воды: Pr для воды см. табл. П-2
2. Выразим площадь кольцевого сечения, по которому протекает горячий теплоноситель-вода:
Sкольце. Сеч. =
Примем скорость греющей воды за U1=1,5 м/c, тогда
M1/3600= , где d нар=0,031+2*0,0035=0,038м
0,56=1,5 1000 ( - )
что соответствует
Пересчитаем скорость
U1= 0,753 м/с
для воды:
В качестве характерного размера l подставляют эквивалентный диаметр:
где S - площадь живого сечения потока, м2;
П - смоченный периметр, м.
Для труб круглого сечения dэкв = dвнутр.
Для канала кольцевого сечения эквивалентный
диаметр равен
dэкв=
= (Dвнутр - dнаруж), где
Dвнутр – внутренний диаметр «большой» трубы – 0,041, dнаруж – наружный диаметр «малой» трубы.
режим переходный
При развитом переходном режиме течения теплоносителя в прямых трубах (2320<Re <10000) критериальное уравнение имеет вид:
. Расчет коэффициента теплоотдачи будем производить по графику:
Для воды: Pr для воды см. табл. П-2
Коэффициент теплопроводности углеродистой нержавеющей стали λст = 7 Вт/(м °С), толщина стенки δ=0,0035м
= = 123,46 Вт/(м2 град)
Расчет площади поверхности теплопередачи
t ср.=235,3
F=
Поверхность теплообмена рассчитана без учета потерь тепла в окружающую среду и, следовательно, будет меньше поверхности, которая обеспечит реальные условия работы аппарата. Для расчета реальной поверхности необходимо дополнительно знать также Qпот – тепловой поток, теряемый аппаратом в окружающую среду. Это требует знания площади внешней поверхности аппарата и условий теплообмена между корпусом и окружающей средой.
Допускаем, что потери теплоты в окружающую среду не превысят 3÷5 % от расчетного полезного теплового потока Q. Тогда полный действительный расход теплоты Qдей и действительная поверхность нагрева Fдей определяются по формулам
Определение основных размеров аппарата
В результате конструктивного расчета необходимо определить число секций аппарата и решить вопрос об их расположении и соединении.
Формула для расчета искомого диаметра патрубков для входа и выхода теплоносителей (в м)
где ρ - плотность теплоносителя на входе (для входного патрубка) или на выходе из аппарата, определяется по таблицам в зависимости от начальной или конечной температуры теплоносителя.
u - скорость теплоносителя на входе или на выходе из аппарата; скорость на входе принимается в пределах рекомендованных значений скоростей теплоносителей в трубах; скорость на выходе меньше скорости на входе за счет гидравлических сопротивлений аппарата.
Длина патрубков определяется:
, м
Общая длина рабочей части внутренней трубы рассчитывается из уравнения:
)
(м)
Длину рабочей части одной секции l рекомендуется принимать равной от 4 до 6 м, тогда число секций теплообменного аппарата будет равно:
После завершения теплового и конструктивного расчетов следует обосновать необходимость применения тепловой изоляции и решить вопрос о том, какую часть внешней поверхности корпуса теплообменника надо покрывать слоем изоляционного материала.
Для многосекционных теплообменников типа "труба в трубе" предварительно рассчитывают среднюю температуру горячего теплоносителя в каждой секции и в каждом колене. Расчёт изоляции делается для секции и колена, в которых температура теплоносителей значительно отличается от температуры окружающей среды.
Коэффициент теплоотдачи α3 рассчитывают по уравнению подобия для теплоотдачи при свободном движении жидкости (воздуха)
причем значения с и n в уравнении (44) для отдельных участков различны и являются функцией аргумента GrPr. Их значения приведены в таблице .
Значения с и n в формуле
(Gr·Pr) |
c |
n |
5·102…2·107 |
0,54 |
1/4 |
При вычислении критериев подобия и за характерный размер l , входящий в качестве линейного размера в критерии подобия, принят для труб - их диаметр. В качестве определяющей температуры принята средняя температура пограничного слоя , где tст - температура наружной поверхности аппарата (внешней трубы); tвозд - температура воздуха вне зоны, охваченной процессом.
В случае, если требования техники безопасности выполняются и потери теплоты Qпот незначительны (менее 5% от сообщаемой продукту теплоты Q), то изоляцию можно не устанавливать. Более точный ответ о целесообразности изоляции может дать сравнительный экономический расчет стоимости теряемого тепла и расходов на изоляцию.
В остальных случаях решается вопрос о толщине слоя изоляции, который обеспечит минимальные потери и температуру на внешней поверхности не выше 35°С.
Сначала необходимо определить критерий Грасгофа. Учитывая, что для воздуха , ускорение свободного падения g=9,81 м/с², по стандарту, Δt =30-20=10°С, получим:
Определим величину произведения критериев Грасгофа и Прандтля, учитывая, что для воздуха, при устоявшейся температуре окружающей среде 20°С, критерий Прандтля :
где c и n числовые значения, зависящие от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, определяемые по справочным таблицам, и соответственно c=0,54 и n=0,25, тогда: