Теплообмінні апарати

F- поверхня теплообміну ,м²  

 

К_а  = 11,37*1500*0,08=1363 грн/рік

 

К _є = N*C_є*τ

 

 

 

 

N- потужність електродвигуна насоса, КВт

C_є- вартість 1 КВт/год електроенергії       C_є=0,15 грн

τ- кількість годин роботи теплообмінника  τ=7420 год

К _є =0,004462*0,15*7420=6,2 грн/рік

К_∑ = 1365+6,2=1371,2 грн/рік

 

 

3.2.1.Розрахунок коефіцієнта  теплопередачі при швидкості 1 м/с

 

 Розрахуємо  загальний коефіцієнт  теплопередачі  за формулою:

К_о=1/((1/α₁)+(δ/λ_ст)+(1/ α₂))

 

Приймаємо швидкість  руху рідини ω=1 м/с

Приймаємо діаметр  теплообмінника d_вн=0,03 м

Розрахуємо  критерій Рейнольдса:

 

Re= (ω* d_вн *ρ)/μ=1*0,03*1021,4/0,00046004=66610

 

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*66610^0,8*3,107^0,43*1=249,168

За знайденою  величиною Нусельта визначається:

α₂= Nu*λ/d_вн=249,168*0,584/0,03= 4820 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=2248кДж/кг

Н=1…4, Н=4 м

Δt1₌ t_р- t_ст1=150-145=5⁰С

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

 

значення А залежно від температури  конденсату t_пл такі:

 

А=195,125

 

α₁=2,04*195,125*=7219 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/((1/7219)+(0,0015/380)+(1/4820))=2603 Вт/(м²*К)

 

Коефіцієнт  використання поверхні нагріву φ=0,8

 

К=К₀*φ=2603*0,8=2082Вт/(м*К)

 

Перевіряємо задану температуру:

 

t_ст1= 150-(2082/7219)*76,4=127,962

задана і  розрахункова температури не відрізняють  більше ніж на 1 градус, отже розрахунки зроблено вірно.

 

Визначимо площу  поверхні теплообмінника за формулою:

 

F= Q/(K*Δt_c)= 421700/(2082 *76,4)=8,7 м²

 

3.2.2.Конструктивний розрахунок теплообмінника (перша частина)

 

Площа прохідного перерізу одного ходу:

 

ƒ₁= G/(ρ*ω)=1,11/(1021,4*1)=0,00108 м²

 

Число трубок одного ходу:

 

n₁= ƒ₁/(0,785*d²_в)=0,00108/(0,785*0,03²)=3 трубки

 

 

 

Загальна  довжина труби:

 

L=F/(π* d_р* n₁)= 8,7 /(3,14*0,03*3)=30 м

α₁ >α₂ , d_р= d_вн

Кількість ходів трубного простору:

 

Z=L/I₁=30/4=8 ходів

 

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

 

Загальна кількість трубок:

n=z* n₁=8*3=24 трубки

 

3.2.3.Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Потужність, потрібну для переміщування 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*( 8-1)=22,5

 z- кількість ходів

 Δp=(0,023*30/0,03+22,5)*(1²*1021,4/2)=3285 Па

            

N=0,00108 *3285/0,8=7,9 Вт

 

3.2.4.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

 

F- поверхня теплообміну ,м²  

 

К_а  = 8,7 *1500*0,08=1044 грн/рік

 

К _є = N*C_є*τ

 

N- потужність електродвигуна насоса, КВт

C_є- вартість 1 КВт/год електроенергії       C_є=0,15 грн

τ- кількість годин роботи теплообмінника  τ=7420 год

К _є = 0,0079 *0,15*7420=55,65грн/рік

К_∑ = 1044 +55,65 =1100 грн/рік

3.3.1.Розрахунок теплообмінника при швидкості 1,5 м/с

Розрахуємо  загальний коефіцієнт  теплопередачі  за формулою:

 

К_о=1/((1/α₁)+(δ/λ_ст)+(1/ α₂))

 

Приймаємо швидкість  руху рідини ω=1,5 м/с

Приймаємо діаметр  теплообмінника d_вн=0,03 м

Розрахуємо  критерій Рейнольдса:

 

Re= (ω* d_вн *ρ)/μ=1,5*0,03*1021,4/0,00046004=99910

 

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*99910^0,8*3,107^0,43*1=344,64

 

За знайденою  величиною Нусельта визначається:

 

α₂= Nu*λ/d_вн=344,64*0,584/0,03=6709 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=2248кДж/кг

Н=1…4, Н=4 м

Δt1₌ t_р- t_ст1=150-145=5⁰С

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

 

значення А залежно від температури  конденсату t_пл такі:

 

А=195,125

 

α₁=2,04*195,125*=6702 Вт/(м²*К)

Задану температуру  перевіряють за рівнянням:

α₂= Nu*λ/d_вн=344,64*0,584/0,03=6709 Вт/(м²*К)

 

 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/((1/6702)+(0,0015/380)+(1/6709))=3058 Вт/(м²*К)

 

Коефіцієнт  використання поверхні нагріву φ=0,8

 

К=К₀*φ=3058*0,8=2446 Вт/(м*К)

Перевіряємо задану температуру:

 

t_ст1= 150-(2446/6709)*76,4=124

задана і  розрахункова температури не відрізняють  більше ніж на 1 градус, отже розрахунки зроблено вірно.

Визначимо площу  поверхні теплообмінника за формулою:

 

F= Q/(K*Δt_c)= 4216700 /(2446*76,4)=6 м²

 

3.3.2.Конструктивний розрахунок теплообмінника (перша частина)

 

Площа прохідного перерізу одного ходу:

 

ƒ₁= G/(ρ*ω)=1,11/(1021,4*1,5)=0,00072м²

 

Число трубок одного ходу:

 

n₁= ƒ₁/(0,785*d²_в)=0,00072/(0,785*0,03²)=1 трубок

 

Загальна  довжина труби:

 

L=F/(π* d_р* n₁)=6,9/(3,14*0,033*1)=64,89 м

α₁ <α₂ , d_р= d_з=0,033 м

Кількість ходів трубного простору:

 

 

Z=L/I₁=64,89/4=16 ходів

 

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

Загальна кількість трубок:

 

n=z* n₁=16*1=16трубок

 

3.3.3.Гідравлічний розрахунок теплообмінника

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

 

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*( 16-1)= 5+2,5*( 16-1)=42,5

 z- кількість ходів

 Δp=(0,023*64,89/0,03+42,5)*(1,5²*1021,4/2)=75280 Па

            

N=0,00108*75280/0,8=102,266 Вт

 

3.3.4.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

F- поверхня теплообміну ,м²  

 

К_а  = 6,9*1500*0,08=1014 грн/рік

 

К _є = N*C_є*τ

 

N- потужність електродвигуна насоса, КВт

C_є- вартість 1 КВт/год електроенергії       C_є=0,15 грн

τ- кількість годин роботи теплообмінника  τ=7420 год

 

К _є = 0,08888*0,15*7420=113 грн/рік

К_∑ =1024 +113 = 1127 грн/рік

 

З економічної точки зору оптимальна швидкість руху продукту (томатного соку) при другій швидкості (w=1,0 м/с).

3.5.Конструктивний розрахунок теплообмінника (друга частина)

 

Розраховується при оптимальній  швидкості w=1,0 м/с

Площа прохідного перерізу одного ходу: 8,7 м²

ƒ₁= G/(ρ*ω)=1,11/(1021,4*1)=0,00108 м²

 

 

Число трубок одного ходу:

 

 

n₁= ƒ₁/(0,785*d²_в)=0,00108/(0,785*0,03²)=3 трубки

 

Загальна  довжина труби:

 

L=F/(π* d_р* n₁)= 8,7 /(3,14*0,03*3)=30 м

 

α₁ >α₂ , d_р= d_вн

Кількість ходів трубного простору:

 

Z=L/I₁=30/4=8 ходів

 

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

 

Загальна кількість трубок:

 

n=z* n₁=8*2=16 трубок

Приймаємо а=8, тоді кількість трубок обраховуємо за формулою:

 

nр=3*а*(а-1) +1=3*8*(8-1)+1=169 трубок

 Кількість трубок, розміщених  по діагоналі найбільшого шестикутника,

знаходять за формулою:

 

b=2*a-1=2*8-1=15

При закріпленні труб у трубних решітках розвальцьовуванням крок t розміщення труб вибирають залежно від їхнього зовнішнього діаметра:

 

t= (1,3…1,5)* d_з=1,5*0,033=0,0495 м=0,05м=50мм

 

Діаметр трубної решітки визначають із співвідношення

 

D_реш=1,13* t *=1,13* 50 *=764мм

Діаметр трубної решітки округлюємо до стандартного значення D_реш= 800мм

Відстань між сусідніми стінками  труб S=(7…13)мм

Приймаємо S=10мм

Внутрішній  діаметр корпуса 

D_в= t*(b-1)+4d_вн

D_в=50*(15-1)+4*33=700+132=832  мм

Заокруглюємо: D_в=800 мм

Живий перетин міжтрубного простору:

f_мп=(π/4)*( D_в²- nр* d_вн²)=(3,14/4)*(0,8²-169*0,033²)=0,36 м²

Діаметр патрубка для входу продукту, який нагрівається

 

d_прод =1,13*=1,13*=0,012 м=120 мм

 

Діаметр патрубка для входу гріючої пари

 

d_пари =1,13*=1,13*=0,21 м=210 мм

Діаметр патрубка для виходу конденсату

 

d_конд =1,13*=1,13*=0,07 м=70 мм

3.6 Розрахунок теплової ізоляції

 

Теплова ізоляція один з основних факторів зменшення втрат теплоти та економії палива. З точки зору охорон праці  і техніки безпеки теплова  ізоляція слугує ефективним засобом  для зниження температури в приміщенні та передбачає захист обслуговуючого персоналу.

 

λ - теплопровідність ізоляційного матеріалу, Вт(м*К), λ=0,08(совеліт);

t_a - температура в апараті, град;

t_i - температура на поверхні ізоляції, град;

t_n - температура повітря, що оточує апарат, град;