МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Кафедра процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування
Розрахунково – пояснювальна записка
до курсового проекту на тему
«Проект теплообмінного апарата типу «труба в трубі»»
Виконала:
студентка гр. ТЦММ –ІІІ – 5
Оришко Ю.В.
Керівник проекту:
Деменюк О.М.
Київ НУХТ 2008
Вступ
Теплообміном називається процес передачі теплоти від одного тіла до іншого. Необхідною і достатньою умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти.
Існує три способи передачі теплоти: теплопровідність, конвекція і випромінювання.
Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинами тіла.
Конвекцією називають процес поширення теплоти внаслідок руху рідини або газу. Розрізняють два види конвекції: природна конвекція, виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних частинок рідини, тобто під дією внутрішніх сил та вимушену, коли рух рідини виникає під дією зовнішніх сил (насоса, вентилятора).
Випромінюванням називається процес передачі теплоти від одного тіла до іншого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами.
Тепловіддачею називають процес теплообміну між двома елементами одне з яких тверда стінка (тіло), а інше тверде або газоподібне середовище, що її омиває.
Теплопередачею називають процес теплообміну між двома середовищами, розділеними твердою перегородкою.
1. Опис проектованого апарату
Теплообмінник типу «труба в трубі» належить до поверхневих. В таких теплообмінниках обидва теплоносії відокремлені один від одного твердою стінкою, яка бере участь в процесі теплообміну й утворює так звану поверхню теплообміну (поверхню нагріву).
Теплообмінник типу «труба в трубі» належить також до рекуперативних. В ньому один бік поверхні теплообміну весь час омиває гарячий теплоносій, а другий – холодний. Теплота від одного теплоносія до другого передається крізь стінку з теплопровідного матеріалу, що їх розділяє. Напрямок теплового процесу в стінці лишається незмінним.
Теплообмінник типу «труба в трубі» належить до протитечій них, тобто обидва теплоносії рухаються в протилежних напрямках назустріч один одному.
Теплообмінник типу «труба в трубі» складається з кількох послідовно з`єднаних елементів, утворених двома концентрично розміщеними трубами. Один теплоносій рухається у внутрішніх трубах, а другий – у кільцевому зазорі між внутрішніми і зовнішніми трубами. Внутрішні труби окремих елементів з`єднані послідовно колінами, а зовнішні патрубками. Завдяки невеликому поперечному перерізу в теплообмінниках «труба в трубі» досягають високих швидкостей руху теплоносіїв і високої інтенсивності теплообміну. Проте ці теплообмінники дуже громіздкі та металомісткі. Тому їх використовують лише при малих об`ємних витратах теплоносія і незначних поверхнях теплообміну.
При значних кількосях теплоносіїв теплообмінник складають з декількох паралельних секцій, що приєднуються до загальних колекторів.
Переваги теплообмінників "труба в трубі":
- високий коефіцієнт теплопередачі в наслідок великої швидкості обох теплоносіїв;
- простота виготовлення.
Недоліки цих теплообмінників:
- громіздкість;
- висока вартість зважаючи на велику витрату металу на зовнішні труби, що не беруть участь в теплообміні;
- трудність очищення міжтрубного простору.
2. Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі
Теплообмінник типу «труба в трубі» використовується в процесі згущення продуктів, що є підготовчим етапом перед висушуванням бульйону.
Процес згущення протікає наступним чином:
Бульйон всмоктується у вирівнюючий бак 1 і з нього насосом 22 подається через фільтри 21 в теплообмінник типу «труба в трубі» 3.
Із теплообмінника нагрітий бульйон подається в паровідділювач 4 циклонного типу. Звільнений від вторинної пари бульйон стікає по скляному трубопроводі до насосу 18, яким направляється на рециркуляцію у вирівнюючий бак 1. Визначений рівень рідини в паровідділювачі автоматично піддержується регулятором 9.
Шляхом регулювання кількості напрямленого на рециркуляцію згущуваного продукту за допомогою клапана 20, а також подачі сировини встановлюється режим випарювання. Після цього згущений бульйон починають відкачувати із апарата продуктовим насосом 19.
Вторинна пара із паровідділювача потрапляє в горизонтальний поверхневий конденсатор 7, суміш охолодженої води і конденсату відкачується насосом 13. Вакуум в системі підтримується за допомогою двохступінчатого вакуум-насоса 8. Існує прилад 11 для приготування гарячої води, яка використовується для нагрівання бульйону в теплообміннику, насос для гарячої води 17, вирівнюючий бак 15 і трубопровід для рециркуляції гарячої води через клапан 12.
Речовини які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим теплоносієм, речовину з нижчою температурою холодним.
Як гарячі теплоносії в харчовій промисловості використовуються водяна пара, гаряча вода, нагріте повітря, димові гази і гарячі мінеральні масла, а як холодні – воду, повітря, ропу(розсіл), аміак і фенол.
3. Вихідні дані
Продуктивність апарата G = 1,6 кг/с
Температура води:
на вході в апарат t1п = 90 ºС на виході із апарата t1к = 40 ºС
Температура бульйону:
на вході в апарат t2п = 10 ºС на виході із апарата t2к = 80 ºС
Швидкість руху бульйону w2 = 1,1 м/с
Швидкість руху води w1 = 1,2 м/с
Довжина труби одного змієвика l1 = 7 м
Товщина стінки δ = 0,002 м
Матеріал труб нержавіюча сталь
Коефіцієнт теплопровідності матеріалу λст = 17,5 Вт/(м·К)
Ціна 1 м2 поверхні теплообміну апарату СF = 1000 грн / м2
Річна частина амортизаційних відрахувань а = 0,08 %
Кількість годин роботи теплообмінника в році τ = 5460 год
Ціна 1 кВт·год електроенергії СЕ = 0,6 грн/(кВт·год)
3.1 Тепловий розрахунок
Визначення середньої різниці температур
Δtм = t1п - t2к = 90 – 80 = 10ºС
Δtб / Δtм = 30 / 10 = 3, оскільки 3 > 2, то
Δtср = (Δtб - Δtм) / ln (Δtб / Δtм ) = 20 / ln 3 = 20 / 1,0986 = 18,2ºС
Визначення середньої температури води
t1ср = (t1п + t1к)/2 =(90+40)/2 = 65ºС
Визначення середньої температури бульйону
t2ср = (t2п + t2к)/2 =(10+80)/2 = 45ºС
Визначення теплового навантаження апарата
Q = Q1 = х Q2 ,
де х = 1,02…1,05 – коефіцієнт, що враховує теплові втрати.
Q2 = х G2 с2(t2к - t2п) ,
де с2 – теплоємність бульйону при температурі 45ºС.
с2 = 3,998 кДж/(кг· К)
Q2 = 1,05 · 1,6 · 3,998 · (80 – 10) = 470,16 кВт
Рівняння теплового балансу має вигляд:
G1 с1(t1п - t1к) = х G2 с2(t2к - t2п)
Визначаємо витрати води на підігрів бульйону
G1 = (х G2 с2(t2к - t2п)) / с1(t1п - t1к),
де с1 – теплоємність води при температурі 65ºС.
с1 = 4,185 кДж/(кг· К)
G1 = (1,05· 1,6 · 3,998 · (80 – 10)) / (4,185 ·(90 – 40)) = 470,16 / 209,25 = 2,25 кг/с
Визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до бульйону α2. Для цього знаходимо критерій Re2.
Re2 = (w2 · dв · ρ2) / μ2,
де μ2 – коефіцієнт динамічної в`язкості, який становить 2,4·10-3 Па·с;
ρ2 - густина кісткового бульйону при температурі 45ºС і вмісті сухих речовин n = 3,3 % становить 1026,08 кг / м3.
dв – діаметр внутрішньої труби, який визначається за формулою
dв = √(4· G2 ) / (π · ρ2 ·w2) ;
Обчислюємо діаметр внутрішньої труби
dв = √(4· 1,6) / (3,14 · 1026,08 · 1,1) = √ 6,4 / 3544 = 0,04 м
Re2 = (1,1 · 0,04 · 1026,08) / 2,4 · 10-3 = 45,1 / 2,4 · 10-3 = 18791
Режим руху бульйону турбулентний, критеріальне рівняння для визначення критерію Нусельта має вигляд:
Nu2 = 0,023 · Re20,8 · Pr20,4 · ( Dв / dз )0,45,
де Pr2 – критерій Прандтля для бульйону, який визначається за формулою
Pr2 = ( с2 · μ2) / λ2,
λ2 – коефіцієнт теплопровідності бульйону, λ2 = 616,37·10-3 Вт / (м·К);
Dв – внутрішній діаметр зовнішньої труби, який визначається за формулою
Dв = √(4 · υ) / (π · w1) + dз,
υ – об`ємні витрати рідини, які визначаються за формулою
υ = G1 / ρ1 = 2,25 / 980,5 = 0,0023 м3/с
ρ1 – густина води при температурі 65ºС
dз – зовнішній діаметр внутрішньої труби.
Оскільки товщина стінки складає 0,002 м, то dз = 0,04 + 2·0,002 = = 0,044 м.
Pr2 = (3998 · 2,4·10-3) / 616,37·10-3 = 15,6
Dв = √(4 · 0,0023) / (3,14 · 1,2) + 0,044 = 0,09 м
(Dв / dз)0,45 = (0,09 / 0,044)0,45 = 1,38
Nu2 = 0,023 · 187910,8 · 15,60,4 ·1,38 = 0,023 · 2625 · 3 · 1,38 = 249,95
Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від стінки до бульйону
α2 = ( Nu2 · λ2 ) / dв = (249,95 · 616,37·10-3) / 0,04 = 3849 Вт/(м2 · К)
Визначення коефіцієнта тепловіддачі від конденсату до стінки α1. Для цього знаходимо критерій Re1.
Re1 = (w1 · dе · ρ1) / μ1,
де μ1 – коефіцієнт динамічної в`язкості, який становить 0,438·10-3 Па·с;