Класифікація теплообмінників, технологічне призначення

1.Вступ

Процеси теплообміну  посідають одне з найважливіших  місць при обробці харчових продукті. Умовно їх можна поділити на чисті  теплообмінні процеси, де масообмін  відіграє підпорядковану роль (нагрівання, охолоджування, заморожування, конденсація, випаровування); а також на суміщені тепло – та масообміні процеси (сушіння, ретифікація, дистиляція, випічка та ін.)

До обладнання, що здійснює чисто теплообмінні процеси  належать теплообмінники – підігрівачі, охолоджувачі, випарні установки  та апарати, конденсатори, тощо.

У ролі теплоносія у виробництві харчових продуктів  використовується водяна пара, повітря, вода та ін. Найбільш часто використовується водяна пара завдяки тому, що вона зручна для транспортування, легко можна корегувати її температуру та витрати, має велику теплоту конденсації, незначна її дії на матеріал паропроводів та апаратів, а також її можна використовувати в умовах безпосереднього контакту з харчовими продуктами.

Розрізняють два  способи нагрівання насиченою парою: відкритою та закритою. При нагріванні відкритою парою її вводять безпосередньо в рідину, яку нагрівають. Пара конденсується і віддає теплоту рідині, яка нагрівається. Конденсат змішується з рідиною, внаслідок чого їхні температури вирівнюються. Нагрівання відкритою парою використовується досить рідко, тому що при цьому рідина, яку нагрівають, розбавляється конденсатом – водою. Звичайно цей спосіб використовують для нагрівання води і водних розчинів. Значно частіше на практиці нагрівання насиченою парою здійснюють через стінку. Нагрівна пара повністю конденсується і виводиться із теплообмінника у вигляді конденсату.   

2.Класифікація  теплообмінників, технологічне призначення.

Апарати, призначені для нагрівання й охолодження, називають теплообмінниками. За технологічним призначенням та конструктивним оформленням такі апарати досить різноманітні.

За способом передавання теплоти усі теплообмінники поділяються на дві великі групи: поверхневі і змішувальні. В поверхневих теплообмінниках обидва теплоносія відокремлені один від одного твердою стінкою або по черзі контактують з однією і тією самою стінкою, яка бере участь у процесі теплообміну й утворюю так звану поверхню теплообміну. У змішувальних теплообмінниках, або апаратах змішування, теплообмін здійснюється внаслідок безпосереднього контакту і змушування гарячого і холодного теплоносіїв.

Поверхневі  теплообмінники, у свою чергу, поділяються  на рекуперативні і регенеративні. В рекуперативних апаратах 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 потоку у стінці лишається незмінним. У регенеративних апаратах одна й та сама поверхня теплообміну поперемінно омивається то одним, то другим теплоносієм. У період нагрівання, тобто під час контакту з гарячим теплоносієм, у твердих тілах (насадці), що заповнюють апарат, акумулюється теплота, яка в період охолодження віддається холодному теплоносію. Напрямок потоку теплоти в стінках періодично змінюється.

У харчовій промисловості  для нагрівання й охолодження  використовують переважно рекуперативні  теплообмінники.

Теплообмінники  класифікують так:

1) за видом  теплоносіїв залежно від їх  агрегатного стану – парорідинні,  рідиннорідинні, газорідининні, газогазові, паро газові;

2) за конфігурацією  поверхні теплообміну – трубчасті  апарати з прямими трубками, трубчасті  апарати з U – подібними трубним пучком, спіральні, пластинчасті, змійовикові, ребристі;

3) за компонуванням  поверхні нагріву – кожухотрубні, типу “труба в трубі”, зрошувальні, заглибні, оболонкові.

Крім зазначених основних класифікаційних ознак теплообмінних  апаратів, останні можна також  класифікувати за рядом додаткових ознак. Усі теплообмінні апарати  поверхневого типу можна класифікувати залежно від напрямку потоків теплоносіїв:

1) прямотечій  ні, коли обидва теплоносії рухаються  паралельно в одному напрямку;

2) протитечійні, коли обидва теплоносії рухаються  в протилежних напрямках назустріч  один одному;

3) з перехресною течією – теплоносії рухаються взаємно перпендикулярно;

4) із складнішими  схемами різного поєднання прямотечії, протитечії і перехресної течії. 

В даній курсовій роботі необхідно провести розрахунок теплообмінника типу “труба в трубі”. Теплообмінники цього типу складаються 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 (калачами), а зовнішні – патрубками. Завдяки невеликому поперечному перерізу  в теплообмінника “труба в трубі” досягають високих швидкостей руху теплоносіїв (для рідин 1,0…1,5 м/с) і високої інтенсивності теплообміну.

Теплообмінники “ труба в трубі” застосовують при незначних витратах теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами і між рідиною та парою, що конденсується. Ці апарати прості, їх легко виготовляти, вони дають можливість здійснити чисту протитечію і досягти високих швидкостей руху для теплоносіїв. Проте при значних теплових навантаженнях вони громіздкі і матеріалоємні.

Тому ми маємо  визначити роботу теплообмінника в  оптимальних теплових режимах, що відповідають поєднанню заданої продуктивності та інших показників технологічного процесу з мінімальною витратою теплоти.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Розрахунок теплообміннику типу “труба в трубі”

Вихідні дані:

Витрати рідини G = 12 т/год = 3,33 кг/с

Початкова температура  води t₁ = 38ºС

Кінцева температура води t₂ = 60ºС

Температура граючої пари t_п = 80ºС

3.1. Визначення температурних умов  нагріву

Різниця температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника:

Якщо  , то середню різницю температур між парою і рідиною, що нагрівається, визначаємо як середньо логарифмічну різницю:

Середня температура  рідини, що нагрівається становить:

При середній температурі  визначаємо теплофізичні параметри води:

3.2.Теплове навантаження і витрати  пари

Теплове навантаження з урахуванням теплових втрат, Вт:

де х – коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище;

х = 1,02…1,05; G – витрата рідини, кг/с; с – теплоємність рідини, Дж/(кг·К).

 

 

Витрати пари, кг/с:

де І, і –  ентальпія нагрівної пари і конденсату, Дж/кг; І = 2643200 Дж/кг.

Ентальпія конденсату:  ,

де t_к – температура конденсату, що дорівнює t_п – (2…3)ºС.

Отже витрата  пари становить:

3.3 Розрахунок коефіцієнта теплопередачі

Загальний коефіцієнт теплопередачі визначають за такою  формулою:

,

де α₁ – коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки, Вт/(м²·К); δ- товщина стінки, м; λ_ст – теплопровідність стінки, Вт/(м·К); α₂ – коефіцієнт тепловіддачі від стінки до рідини, Вт/(м²·К).

Приймаємо швидкість  руху рідини ω = 1,0 м/с

Приймаємо діаметр  теплообмінника d = 0,07 м

Приймаємо товщину  стінки δ = 0,003 м.

Приймаємо теплопровідність стінки λ_ст = 17,5 Вт/(м·К).

Визначимо критерій Рейнольда:

Визначимо критерій Нуссельта:

де D_в- внутрішній діаметр зовнішньої труби; d_з – зовнішній діаметр внутрішньої труби.

Отриманий діаметр  округлюємо до стандарту d_з = 0,07 м.

де ρ – густина пари, ρ = 0,297 кг/м³; ω₁ – швидкість пари в кільцевому просторі, лежить в межах 20…40 м/с; .

Отриманий діаметр  округлюємо до стандарту D_в= 0,2 м.

Отже, критерій Нуссельта становить:

За знайденим критерієм Nu визначаємо:

Визначимо  α₁ з рівняння:

В цьому рівнянні основною проблемою при розрахункові α₁ є визначення , яке важко піддається визначенню традиційними методами. Тому визначають методом послідовних наближень, задаючись її значенням довільно.

Задаємося значенням .

Значення констант λ, ρ, μ  обираємо з таблиць теплофізичних  властивостей води за  : 

Величина с залежить від розташування поверхні теплообміну в просторі, для горизонтально розміщених труб с = 0,725;

r – теплота конденсацій, r = 2306800 Дж/кг;

l = d_з = 0,07 м.

Отже, значення

Отже, загальний коефіцієнт теплопередачі становить:

Розрахунковий коефіцієнт теплопередачі визначається за формулою:

де φ –  коефіцієнт використання поверхні нагріву, φ = 0,7…0,9.

Задану температуру  перевіряємо за таким рівнянням:

Різниця між  заданою і розрахунковою температурами повинна бути не вище 1ºС. 74,48º – 74º = 0,48ºС < 1 ºС.

3.4.Визначення площі поверхні  теплопередачі

Площа поверхні нагрівання теплообмінника визначається за формулою:

3.5.Конструктивний розрахунок теплообмінника

Визначаємо  зовнішній діаметр внутрішньої труби:

 

Отриманий діаметр  округлюємо до стандарту d_з = 0,07 м.

Визначаємо  загальну довжину труби:

Визначаємо  число елементів теплообмінника:

Отримане значення округлюємо до найближчого цілого числа, тобто n = 3.

де  - довжина труби одного змійовика приймається рівною 3…6 м.

Визначимо внутрішній діаметр зовнішньої труби:

де ρ –  густина пари, ρ = 0,297 кг/м³; ω₁ – швидкість пари в кільцевому просторі, лежить в межах 20…40 м/с; .

Отриманий діаметр  округлюємо до стандарту D_в= 0,2 м.

Визначаємо  діаметр патрубків для входу і виходу продукту, який нагрівається:

Отриманий діаметр  округлюємо до стандарту .

Визначаємо  діаметр патрубка для входу гріючої пари:

Отриманий діаметр  округлюємо до стандарту .

Визначаємо  діаметр патрубка для виходу конденсату:

де  - густина конденсату,

Отриманий діаметр  округлюємо до стандарту  .

3.6. Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Цей розрахунок необхідний для визначення потужностей насосів і вентиляторів та встановлення оптимального режиму роботи апарата.

Потужність, потрібну для переміщення теплоносія через апарат, Вт:

 де η -  ККД насоса, приймаємо η = 0,8;

Δр – перепад  тисків в апараті, Па·с.

Гідравлічний  опір апарата складається з опору  тертя Δр_тер і місцевих опорів Δр_м .Отже, повний гідравлічний опір: 

де λ – коефіцієнт гідравлічного тертя; ξ – коефіцієнт місцевого опору.

Для ізотермічного турбулентного руху в гладеньких трубах ( )

                                                    

де Δ –  абсолютна шороховатість, Δ = 0,01

Значення коефіцієнтів місцевих опорів:

         

Отже, втрата тиску:

Необхідна потужність:

3.7. Техніко – економічний розрахунок

де - загальні витрати

-  амортизаційні витрати, що визначаються за формулою ,

де - вартість 1 м поверхні теплообміну,  =1500 грн/ м

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

  - експлуатаційні витрати, що визначаються за формулою

де N - потужність електродвигуна насоса;

- вартість 1 кВт·год електроенергії

τ – кількість годин роботи теплообмінника, τ = 7500 год

 

Загальні витрати становлять:

 

3.8. Визначення товщини теплової ізоляції

Теплова ізоляція – один із основних факторів, які  зменшують втрати теплоти і зберігають паливо.