Проектирование горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата для подогрева продукта пер (стр. 1 из 4)
Содержание
1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Расчётная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Теплотехнический расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Конструктивный расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Прочностной расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.3.1 Выбор допускаемых напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Расчёт на прочность цилиндрический оболочек, обечаек и корпусов работающих под внутренним избыточным давлением. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.3 Расчёт тонкостенных цилиндрических корпусов. . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4 Расчёт прокладок на невыдавливание из фланцевого соединения. . .17
2.3.5 Расчёт болтов фланцевого соединения патрубка. . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Гидравлический расчёт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.4.1 Расчёт теплообменника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Расчёт трубопровода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.3 Выбор насоса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Расчёт теплоизоляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3. Список использованной литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1. Введение
В технологических процессах пищевой промышленности широко применяется тепловая обработка сырья и полуфабрикатов, которая проводится в теплообменных аппаратах.
Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для непрерывной передачи тепла от потока одной рабочей среды - горячий теплоноситель, к потоку другой среды - холодный теплоноситель, для осуществления различных тепловых процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, повышения концентрации (выпаривания) растворов, ректификации и т.п.
По принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативные и регенеративные теплообменники являются аппаратами поверхностного типа. В поверхностных аппаратах каждый из теплоносителей ограничен твёрдыми стенками. Поверхность стенок, посредством которых передаётся теплота, называется поверхностью нагрева.
В аппаратах смешения процесс теплообмена осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких или газообразных веществ (теплоносителей).
В регенеративных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая, соприкасаясь вначале с «горячим» теплоносителем, нагревается, аккумулируя тепло первого теплоносителя, а затем, соприкасаясь с «холодным» теплоносителем, отдает ему свое тепло.
Рекуперативные теплообменные аппараты в большинстве случаев относятся к аппаратам непрерывного действия. В этих аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется через стенку из теплопроводного материала.
Теплоносителями в теплообменных аппаратах могут быть: водяной пар,
горячая вода, дымовые газы, масло, различные смеси жидкостей и другие
физические тела.
Наибольшее распространение в качестве теплоносителей получили водяной пар, горячая вода и дымовые газы. В пищевой промышленности наиболее широко применяются рекуперативные теплообменные аппараты различных типов и конструкций. Конструкция аппаратов должна учитывать как особенности течения технологического процесса, так и условия эксплуатации, изготовления и ремонта самого аппарата.
Конструкция теплообменного аппарата должна обеспечить ведение технологического процесса с заданными параметрами и получение продукта высокого качества. Наиболее важными факторами при тепловой обработке пищевых продуктов являются температурный режим и продолжительность теплового воздействия. В связи с этим необходимо правильно выбрать поверхность теплообмена, оптимальную скорость движения продукта и предусмотреть возможности гибкого регулирования теплового режима.
В целях сохранения качества продукта особое внимание должно быть уделено выбору материала.
Аппарат должен иметь высокую производительность, быть экономичным в эксплуатации. Достигается это путём повышения интенсивности теплообмена и максимального снижения гидравлических сопротивлений аппарата.
В пищевой промышленности наибольшее распространение получили кожухотрубные аппараты как одноходовые, так и многоходовые по трубному и не трубному пространству; с различными направлениями потоков теплоносителей и жёсткостью конструкции; однокорпусные и многокорпусные – элементные.
В соответствии с ГОСТ – 9929-77 кожухотрубчатые стальные теплообменники выполняются с площадью теплообмена до 2000 м2, работают при давлении до 6,4 мПа и имеют пять типов: ТН с неподвижными решётками, ТК – с температурным конденсатором на кожухе,
ТП – с плавающей головкой, ТУ – с V-образными трубками, ТС - с сальником на плавающей головке. Эти аппараты применяются в пищевой промышленности для нагревания и охлаждения жидких и газообразных продуктов при температуре от 40о до 450о С.
Исходные данные:
1. Расход рыбного бульона:
массовый: Gб = 0,5 кг/с
2. tнб = 140С
tбк = tкип
3. Греющий агент – конденсат водяного пара
tнкд = 1380С
tккд = 340С
2. Расчетная часть
2.1 Теплотехнический расчёт
Температура конденсации греющего пара tнкд = 1380С
Начальная температура конденсата на входе в греющую камеру теплообменника tнкд = 1380С
Температура кипения рыбного бульона определяем, приняв дополнительные данные для расчёта. Подпрессовый бульон концентрацией Вн = 6%, прошедший очистку в грязевом сепараторе, подается в вакуум-выпарную установку с вертикальными кипятильными трубами высотой Нтр = 3м и упаривается до конечной концентрации Вк = 20% (2) стр.547-551. Принимаем, что рыбный бульон начальной концентрации Вн = 6% содержит:
Сухих веществ – Внс = 4,5%
Жира - Внж = 1,5%
Уравнение материального баланса процесса выпаривания (3) 5.2
Gн* Вн = Gк* Вк
Выход упаренного бкльона:
Gк = Gн* Вн/ Вк = 0,5*6/20 = 0,15кг/с
Конечная концентрация сухих веществ:
Вкс = Gн* Внс/ Gк = 0,5*4,5/0,15 = 15%
Конечная концентрация жира:
Вкж = Вк - Вкс = 20% - 15% = 5%
В выпарных аппаратах непрерывного действия повышение температуры кипения раствора (бульона) по сравнению с температурой кипения чистого растворителя (воды) определяется по конечной концентрации (3) стр. 250.
Физико-химическая депрессия (4) XV-6:
∆ʼ = 0,025* В1,1к * Ра0,17 = 0,025*26,986*2,083 = 1,40С
Гидростатическая депрессия
Давление над поверхностью бульона:
Р1 = Ра = 75кПа = 75000Па
Температура кипения воды при данном давлении: (1) Табл. 4
t1 = 91,750С.
Принимаем температуру кипения бульона предварительно tкип = 950С.
Плотность бульона Вк = 20% при tкип = 950С.
1/ρ = 10-2*((100 - Вк)/ ρв + Вкс/ ρс + Вкж/ ρж) 5(73)
Плотность воды ρв = 961,5 кг/м3 (3) т XXXIX
Плотность сухих веществ (треска): (6) II 129.
ρс = 1305 - 307Wk = 1305 - 307*0,8 = 1059,4 кг/м3,
где W = 100 - Вк/100 = 100 – 20/100 = 0,8 сухих веществ в сотых долях.
Плотность жира: (6) II 277
ρж = 1098 – 0,605 Ткип = 1098 – 0,605*(273 + 95) = 875,4 кг/м3.
1/р = 10-2((100 - 20)/ 961,5 + 15/ 1059,4 + 5/ 875,4) = 1,03074*10-3 м3/ кг
ρ = 970,2 кг/м3
Оптимальная высота уровня: (3) 5.23
Нопт = (0,26 + 0,0014 * (ρ – ρв) * 3
Нопт = (0,26 + 0,0014 * (970,2 – 961,5) * 3 = 0,82 м.
Давление в среднем слое упариваемого бульона: (3) 5.22
Рср = Р1 + 0,5*ρ*g* Нопт = 75000+0,5*970,2*9,81*0,82 = 78902 Па = 78,9 кПа
Температура кипения воды при данном давлении:
tср = 93,130С (1) Т.4
Гидростатическая депрессия: (3) 5.25
∆ʼʼ = tср – t1 = 93,13 – 91,75 = 1,380С
Температура кипения бульона: (5) 13
tк = t1+∆ʼ+∆ʼʼ = 91,75 + 1,4 + 1,38 = 94,530С
2.3. Температурная схема процесса:
∆tср= (∆tб - ∆tм) / ln (∆tб/∆tм) [3] 4.78