Теплообмінні апарати

Істотними вимогами є також компактність, мала маса, простота конструкцій, зручність  монтажу і ремонту апарата. З  цього погляду мають вплив  наступні фактори: конфігурація поверхні нагрівання, спосіб розміщення і кріплення  трубок у трубних ґратах, наявність  і тип перегородок, ущільнень, пристрій камер, коробка, днищ; габаритні розміри  апарата й ін.

Ряд факторів визначає надійність роботи апарата та зручність його експлуатації: компенсація температурних деформацій, міцність, і щільність роз'ємних  з'єднань, доступ для огляду і чищення, зручність контролю за роботою апарата, зручність з'єднання апарата з  трубопроводами і т.д.

Ці основні вимоги повинні бути покладені в основу конструювання  і вибору теплообмінних апаратів. При цьому найбільше значення має забезпечення заданого технологічного процесу в апараті.

 

1.4. Кожухотрубні теплообмінники

 

Кожухотрубні  теплообмінники. Вони найпоширеніші  в харчовій промисловості, дають  можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні й надійні в  експлуатації.

Нагрівання  гарячою парою має широке використання і корисний при вторинному використанню  тепла конденсатора і рідин ( продукту) який по ходу технологічного процесу нагрівається до високої температури.

Недоліком водяного нагрівання являється швидкий  ріст тиску з підвищенням температури.

Багатотрубні  теплообмінники представляють собою  пучок трубок, розміщених в циліндричну  камеру (кожух), таким чином внутрішня  камера являє собою між трубний  простір. Трубки розміщенні в трубній  решітці, обмежуючи камеру з обох сторін. До трубної решітки кріпляться  коробки з патрубками для впуску робочої рідини, що протікає всередині трубок.

Камера також  має патрубки для підводу і  відводу другого робочого тіла. Патрубки використовують при теплообмінні міх рідкими середовищами.

Трубні  решітки можуть бути наглухо приварені  або прикріплені до корпусу, одна з решіток може бути не з’єднана з камерою. В цьому випадку  щільність досягають за допомогою  резинових кілець, які закривають отвір між корпусом та решіткою. Такий спосіб кріплення забезпечує вільне збільшення трубочок при їх нагріванні і захищає від порушення  кріплень трубок в решітці.

  Кожухотрубний теплообмінник зазвичай стальний, циліндричний. Інколи для забезпечення вільного температурного розширення кожуха і трубочок на кожусі встановлюють компенсатор.

Покрашення  трубчастих теплообмінників досягається  в першу чергу шляхом групування трубок в окремі пучки (ходи), для  цього в розпреділинних коробочках розміщають перегородки. Такий теплообмінник  називається багатоходовим. Робоча рідина проходить через трубний  простір в декілька ходів, протікає почергово через всі пучки  трубок. При цьому швидкість рідини при даному використанні рухається  з заданим рухом, то в результаті збільшується коефіцієнт теплопередачі.

  Поперечні перегородки ділять між трубний простір  на стільки ж ходів, скільки є трубного простору та забезпечує принцип протетичії робочого тіла.

Перегородки розміщюються паралельно трубкам і не доторкаються протилежної трубної решітки. Велика число перегородок не рекомендується через труднощі ущільнення стиків перегородки з решітками.

Поперечні перегородки бувають перекриваючі і не перекриваючі. Перекриваючі перегородки  пересікають весь між трубний  простір,  залишаючи навколо кожної трубки кільце шириною біля 2 мм. відстань між перегородками – біля 100 мм. Робоче тіло протікає мимо труб з великою швидкістю; в в проміжках між перегородками утворюють завихри, для того щоб збільшити коефіцієнт теплопередачі. 

Трубчаті  теплообмінники виготовляють двох типів - горизонтальні та вертикальні, які  відрізняються між собою лише незначними деталями (розміщення патрубків  та опор). Горизонтально трубчастий менш вигідний через те що займає більшу площу і не зручно розміщувати  на балках перекриття.

При установленні теплообмінників потрібно звертати увагу на напрямок руху робочого тіла. Гаряча ( охолоджуюча) рідина повинна  опускатися (подача з верху), а холодна  – піднімається, тоді примусовий рух  співпадає  з дійсним.

Одноходовий краще розмішувати вертикально, багатоходовий – горизонтально  так як деяких ходах вільний рух  не співпадає  з примусовим, що впливає  на теплообмін в вертикальних теплообмінниках. Горизонтальне розміщення декількох  послідовно з’єднаних рідких теплообмінників  більш раціональне, оскільки більш  вигідніше з’єднуватись з комунікаціями. у випадку їх частої чистки трубок багатоходові теплообмінники краще  розміщувати вертикально.

 

 

  

   

 

 

 

 

 

 

 

3.Розрахунки

Вихідні дані

 

Для розрахунку береться кожухотрубний теплообмінний  апарат. Томатний сік , який треба нагріти, подається в труби, а гарячий теплоносій – в міжтрубний простір. Апарат розташований горизонтально. Рух продукту і теплоносія протитечійний. Продукт нагрівається парою.

 температура пари t_пари=150⁰C, р_пари =0,3 мПа;

• продукт, що нагрівається – Томатний сік ( в подальшому продукт), гарячий теплоносій –пара;
• продуктивність апарату G = 4 т/год = 1,11кг/с;
• температура продукту на вході в апарат t₁ =20⁰C;
• на виході   t₂= 110 ⁰C;
• втрати тепла складають х= 5%;
• висота трубок Н= 4 м, внутрішній діаметр трубки d_в= 0,03м, товщина стінки δ_ст = 0,0015м, зовнішній діаметр трубки d_з = 0,033м;

СР(сухі речовини)=5% ;

• коефіцієнт корисної дії насосу η = 0,8
• коефіцієнт теплопровідності для міді λ_ст = 380 Вт/м*К.

Інші дані приймаємо далі самостійно по ходу розрахунку.

 

 

 

 

 

 

 

3.1.1.Тепловий розрахунок теплообмінника при швидкості 0,5 м/с

 

 

Початкова температура  продукту                 t₁= 20 ⁰C

Кінцева  температура продукту                      t₂= 110 ⁰C

Тиск гріючої пари       0,3 мПа

Температуру гріючої пари t_п= 150 ⁰C

 

Обчислюємо  середню різницю температур теплоносія і продукта:

 

Δ t_б= t_п- t₁ = 150-20 = 130 ⁰C

 

Δ t_м= t_п- t₂ = 150-110 = 40 ⁰C

 

Δ t_б/ Δ t_м = 130/40 = 3,25> 2

 

Δ t_с= Δ t_б- Δ t_м / ln (Δ t_б/ Δ t_м) = 76,4 ⁰C

 

Обчислюємо  середню температуру продукту:

 

t_с= t_п - Δ t_с = 150– 76,4 = 73,6 ⁰C

 

При середній температурі t_с  теплофізичні параметри томатного соку визначаємо за допомогою  таблиць:

 

λ_р= 0,584 Вт/(м*К)                         ρ_р=1021,4 кг/м³

                                             

μ_р=0,00046004 Па*с                     С_р=4020Дж/(кг*К)

 

 

6Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, Дж/с або Вт:

 

 

Q=x*G*C*(t₂- t₁)

 

де х- коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище, (х=1,02…1,05); G- витрати рідини, кг/с; С-теплоємність рідини, Дж/(кг*К).

x=1,05;

G = 4 т/год = 1,11кг/с.

 

Q=1,05*1,11*4020*(110-20)=421677,9 Вт=421,7 кВт

 

Витрата пари, кг/с:

  

D=Q/I-i

 

І – ентальпія  назріваючої пари,

     і – ентальпія  конденсату.

 

і=С* t_к=4020*(150-3)=590,94 Дж/кг

 

де t_к – температура конденсату, t_к = t_п  - (2…3) ⁰C

 

D=421,7/2725-590,94=0,198 кг/с

 

 

 

 

3.1.2.Розрахунок коефіцієнта  теплопередачі при швидкості 0,5 м/с

 

 Розрахуємо  загальний коефіцієнт  теплопередачі  за формулою:

 

К_о=1/((1/α₁)+(δ/λ_ст)+(1/ α₂))

 

Приймаємо швидкість  руху рідини ω=0,5 м/с

Приймаємо діаметр  теплообмінника d_вн=0,03 м

Розрахуємо  критерій Рейнольдса:

 

Re= (ω* d_вн *ρ)/μ=0,5*0,03*1021,4/0,00046004=33300

 

Розрахуємо  критерій Нусельта:

Nu=0,021* Re^0,8*Pr^0,43 *(Pr/Pr_ст) ^0,25

Pr= (μ*с)/ λ

Pr=(0,00046004*4020)/0.584=3.107

Відношення  (Pr/Pr_ст) ^0,25  приймемо за 1.

 

Nu=0,021*33300^0,8*3,107^0,43*1=143,109

 

За знайденою  величиною Нусельта визначається:

 

α₂= Nu*λ/d_вн=143,109*0,584/0,03= 2786 Вт/(м²*К)

 

Розрахункове рівняння для обчислення α₁:

α₁=2,04*А*

Де  А-розрахунковий коефіцієнт, який залежить від фізичних властивостей конденсату; r - теплота конденсації; Н – довжина трубки; Δt1- різниця температур, t_р- t_ст1, t_р- температура пари, t_ст1- температура стінки, на якій конденсується пара;

Приймаємо t_ст1= t_р-(5…10)=150-5=145⁰С

 

r визначаємо за довідником: r=2164кДж/кг

Н=1…4, Н=4 м

Δt1₌ t_р- t_ст1=134-129=5⁰С

t_пл= (t_р+ t_ст1)/2=(150+145)/2=147,5⁰С

 

значення А залежно від температури  плівки конденсату t_пл такі:

 

А=195,125

 

α₁=2,04*195,125*=7083 Вт/(м²*К)

Задану температуру  перевіряють за рівнянням:

 

 t_ст1= t_п-(К/α₁)* Δt_с 

 

товщину стінки приймаємо δ=0,0015 

матеріал приймаємо мідь, теплопровідність якої 380 Вт/(м*К)

 

К₀=1/((1/7083)+(0,0015/380)+(1/2786))=1853 Вт/(м²*К)

 

 

 

Коефіцієнт  використання поверхні нагріву φ=0,8

 

К=К₀*φ=1853*0,8=1483 Вт/(м*К)

 

Перевіряємо задану температуру:

 

t_ст1= 150-(1483/7083)*76,4=134 ⁰С

задана і  розрахункова температури не відрізняються більше ніж на 1 градус,

отже розрахунки зроблено вірно.

Визначимо площу  поверхні теплообмінника за формулою:

 

F= Q/(K*Δt_c)= 421700 /(1483*76,4)=11,37 м²

 

3.1.3.Конструктивний розрахунок теплообмінника (перша частина)

Площа прохідного перерізу одного ходу:

 

ƒ₁= G/(ρ*ω)=1,11/(1021,4*0,5)=0,0022 м²

 

Число трубок одного ходу:

 

n₁= ƒ₁/(0,785*d²_в)=0,0022/(0,785*0,03²)=7 трубок

Загальна  довжина труби:

 

L=F/(π* d_р* n₁)=11,37/(3,14*0,03*7)=17,25 м

α₁ >α₂ , d_р= d_вн

 

 

Кількість ходів трубного простору:

 

Z=L/I₁=17,25/4= 4 ходи

 

Де І₁ робоча довжина трубок, яку приймають не більше 4 м

 

Загальна кількість трубок:

n=z* n₁=4*7=28 трубок

3.1.4.Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Потужність, потрібну для переміщення теплоносія через апарат, визначають за допомогою рівнянням, Вт:

 

N=(V* Δp)/ η

 

Де η= ККД насоса, приймаємо рівним 0,8

 

V-об’ємні витрати рідини, V= G / ρ=1,11/1021,4=0,00108 м³/с

 

Гідравлічний  опір апарата складається з опору  тертя і місцевих опорів.

Отже, повний гідравлічний опір визначається за формулою:

 

Δp= Δp_тер+ Δp_м =(λ*L/ d_в+∑ξ)*((ω²*ρ)/2)

 

Де λ- коефіцієнт гідравлічного тертя

L-загальна довжина труби,м

 

λ=0,11*(Δ/d)^0,25  ,де Δ- абсолютна шорсткість;

Δ=0,06 мм

 

λ =0,11*(0,00006/0,03)^0,25 =0,023

значення  суми коефіцієнтів місцевих опорів:

 

 ∑ξ= 5+2,5*( z-1)= 5+2,5*( 4-1)=12,5

 z- кількість ходів

 

 Δp=(0,023*19/0,03+12,5)*(0,5²*1021,4/2)=3285 Па

 N=0,00108  *3285/0,8=4,462 Вт

 

3.1.5.Техніко - економічний розрахунок теплообмінника

К_∑ = К_а + К_є

 

_де  К_∑- загальні витрати, грн/рік

К _є - Експлуатаційні витрати , грн/рік

К_а- амортизаційні витрати, грн/рік

 

К_а= F*C_F*a

 

C_F- вартість 1 м² поверхні теплообміну    C_F=1500 грн/м²

а- річна  доля амортизаційних відрахувань, %     а=0,08