|
|
Если <2, то среднелогарифмическую разность можно заменить без заметной погрешности среднеарифметической разностью: . (1.17) Для аппаратов с перекрестным и смешанным течением теплоносителей средняя разность температур находится путем умножения значения среднелогарифмического температурного напора достигаемого при противотечейной схеме движения теплоносителей на поправочный коэффициент, который определяется по справочникам [4-6]. 1.1 Кожухотрубный теплообменник Для проведения процесса пастеризации продукта выбирается кожухотрубная конструкция теплообменника. Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах. Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (см. рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса-1, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками-2 с закрепленными в них греющими трубами-3 (см. рис. 2), концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища-5. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки-4. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок. Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Греющие трубы в трубных решетках размещают несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников(в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника. Из-за маленькой скорости движения теплоносителей одноходовые теплообменники характеризуются низкими коэффициентами теплоотдачи. С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Так же секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок. Благодаря всем этим способам достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. При проектировании кожухотрубных теплообменников теплоноситель, который наиболее загрязняет поверхность теплообмена, направляют в трубное пространство, которое легче очищать. 1.2 Ообщие сведения о развальцовке труб теплообменника Наиболее распространенный способ крепления труб в решетке — развальцовка. Трубы вставляют в отверстия решетки с некоторым зазором, а затем обкатывают изнутри специальным инструментом, снабженным роликами (вальцовкой). При этом в стенках трубы создаются остаточные пластические деформации, а в трубной решетке — упругие деформации, благодаря чему материал решетки после развальцовки плотно сжимает концы труб. Однако при этом материал труб подвергается наклепу (металл упрочняется с частичной потерей пластичности), что может привести к растрескиванию труб. С уменьшением начального зазора между трубой и отверстием в решетке наклеп уменьшается, поэтому обычно принимают зазор 0,25 мм. Кроме этого для обеспечения качественной развальцовки и возможности замены труб необходимо, чтобы твердость материала трубной решетки превышала твердость материала труб. Развальцовочное соединение должно быть прочным и плотным (герметичным). Прочность соединения оценивают усилием вырыва трубы из гнезда, плотность — максимальным давлением среды, при котором соединение герметично.Развальцовка является наиболее распространенным способом получения прочных и герметичных соединений труб с трубными решетками (коллекторами) теплообменных аппаратов. Для получения надежного соединения трубы с трубной решеткой (коллектором) необходимо выполнить следующее условие: D' = Dо + + KxS, где D'- расчетный
внутренний диаметр трубы после развальцовки (= Dотв - Dн) S-толщина стенки трубы К- коэффициент, учитывающий
тип теплообменного аппарата: К = 0,2 - для котлов Для того, чтобы правильно выбрать инструмент для развальцовки труб в трубных решетках, необходимо располагать следующей информацией: · материал трубной решетки; · диаметр отверстий трубной решетки “Dотв” (см. рис. 3); · толщина трубной решетки “H” (см. рис. 3); · шаг перфорации (расстояние между центрами соседних отверстий) “t” (см. рис. 10); · наличие в отверстиях трубной решетки уплотнительного рельефа, формируемого шариковым раскатником (см. рис. 4); · наличие в трубной решетки канавок (см. рис. 5); · наличие двойных трубных решеток, их толщины “Н1” и “Н2” и расстояние “B” между трубными решетками (см. рис.9); · материал трубы; · наружный диаметр трубы "Dн" (см. рис.6); · толщина стенки трубы "S" (см. рис.6); · высота выступания труб "h" над плоскостью трубной решетки (см. рис.6); · глубина развальцовки труб "L" (см. рис.6); · наличие отбуртовки конца трубы (см. рис.8); · наличие сварки в соединении трубы с трубной решеткой (см. рис.7)
2 Расчетно-конструкторская часть. 2.1 Тепловой расчет аппарата. Исходные данные. Проектируемый кожухотрубный теплообменник предназначен для пастеризации продукта от начальной (на входе в аппарат) температуры t1=12 0С, до конечной (на выходе из аппарата) t2=70 0С. Производительность аппарата G=2,8. Продукт попадает в трубное пространство принудительно с помощью насоса и двигается по трубам со скоростью w=2,0 . Греющий пар подводится в меж трубное пространство с температурой tп=140 0С. Теплообменные трубы Æ30´2,5 мм (внешний диаметр d=30 мм, толщина стенки dст=2,5 мм), длина труб в пучке lТ=2,5 г. Материал труб — медь, толщина слоя загрязнения на поверхности трубок s=0,001 г, абсолютная шероховатость внутренней стенки трубки D=0,01. Коэффициент полезного действия (к.п.д) насоса =0,8. Средняя разность температур теплоносителя и продукта , 0С (по формуле (1.16)): , Dtб=tп-t1=140-12=128 0С, (2.1) Dtм=tп-t2=140-70=70 0С. (2.2) Так как =1,829<2, то средний температурный напор можно находить с определенной точностью как среднеарифметическую разность (соответственно формуле (1.17)): 0С. Средняя температура продукта tср, 0С: tср=tп-Dtср=140-99=41 0С. (2.3) Разность температур теплоносителя и стенки Dt1, 0С: Dt1=(R1/R)Dtср=(0,6)×99=59,4 0С (2.4) [1] Разность температур стенки и продукта Dt2, 0С: 0С. (2.5) Температура стенки со стороны теплоносителя Dtст1, 0С: tст1=tп-Dt1=140-59,4=80,6 0С. (2.6) Температура стенки со стороны продукта Dtст2, 0С: tст2=tср+Dt2=41+33,66=74,66 0С. (2.7) Температура пленки конденсата теплоносителя tпл, 0С: tпл=0,5(tп+tст1)=0,5(140+80,6) =110,3 0С. (2.8) Теплофизические свойства пленки конденсата (при температуре пленки tпл=110,3 0С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости жидкости mпл=0,228×10-3 (Па×с), удельная теплоемкость cпл=4,2×103 , коэффициент теплопроводности lпл=0,682 и плотность rпл=950 . Удельная теплота конденсации пара (при температуре tп=140 0С) r=2150×103 (соответственно [6]). Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенкам теплообменных трубок a1, : (2.9) . Теплофизические свойства продукта, который нагревается (при температуре tср=41 0С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости mпр=0,719×10-3 (Па×с), коэффициент объемного расширения bпр=0,397×10-3 , удельная теплоемкость cпр=4159 , коэффициент теплопроводности lпр=0,634 и плотность rпр=991 . Теплофизические свойства пристеночного слоя продукта (при температуре tст2=74,66 0С) (соответственно [6]): коэффициент динамической вязкости mст=0,4×10-3 (Па×с), удельная теплоемкость cст=4225 , коэффициент теплопроводности lст=0,669 и плотность rст=975 . Критерий Рейнольдса (Re) для потока продукта: (2.10) Критерий Прандтля для потока продукта (Pr) и для пристеночного слоя продукта (Prст): , (2.11) . (2.12) Критерий Нуссельта (Nu) (для случая развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000) по формуле (1.8)): Nu= Nu= =355. Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменных труб к продукту a2, : (2.13) Термическое сопротивление стенки ( без учета термического сопротивления загрязнений) Rст, : Rст= ,[2] (2.14) Общий коэффициент теплопередачи между средами К, (по формуле (1.7)): . Тепловая нагрузка аппарата (количество тепла, которое передается через поверхность теплообмена от теплоносителя до продукта) Q, (Вт) (по формуле (1.4)): Q=Gcпр(t2-t1)=2,8×4159(70-12)=675422 Вт. Необходимая поверхность теплообмена F, (м2) (по формуле (1.1)): (м2). Затрата теплоносителя (греющего пара) Gгр, : . (2.15) [3] 2.2 Конструктивный расчет аппарата Площадь сечения всего потока продукта (площадь сечения пучка труб) f, (м2): (м2), (2.16) Количество труб n1 в трубном пучке: (2.17) принимается n1= 3 теплообменных трубы в каждом ходе по трубному пространству. Уточнённое значение скорости движения продукта w, :
. (2.18) Расчетная длина одной трубки в трубном пучке L, (м): (м). (2.19) Количество ходов теплообменника z: , (2.20) принимается z=4 хода по трубному пространству кожухотрубного теплообменника. Необходимое количество теплообменных труб в трубной решетке n: n=zn1=4×3=12 труб. (2.21) Диаметр трубной решетки Dр, (мм): (мм), (2.22) [4] Внутренний диаметр кожуха теплообменника D, (мм): D=t(b-1)+4d=59,4(5-1)+4×30=358 (мм), (2.23) принимается для изготовления кожуха теплообменника труба Æ360х5 мм. Живое сечение межтрубного пространства fмт, (м2): fмт=0,785((D-2s) 2-nd 2)= =0,785((0,360-2×0,005)2-12×0,032)=87,68×10-3 (м2). (2.24) По уравнению объемных затрат V, : , (2.25) определяются диаметры патрубков d, м, для рабочих сред: . (2.26) Диаметр патрубка для входа пара в аппарат, dп, (м): (м). Диаметр патрубка для выхода конденсата пара, dк, (м): (м). Диаметр патрубка для входа продукта в аппарат, dвх, (м): (м). Диаметр патрубка для выхода продукта из аппарата, dвих, (м): (м). 2.3 Гидравлический расчет аппарата Полное гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата, DР (Па): (2.27) [5] Для изотермического турбулентного движения в гидравлично - шероховатых трубах (соответственно /6/):
(2.28) [6] Сумма коэффициентов местных сопротивлений xг в аппарате: , (2.29) [7] (Па) Мощность привода насоса N, (Вт), необходимая для перемещения продукта по трубному пространству теплообменного аппарата: (Вт) (2.30) [8] V= . (2.31) N= (Вт). 2.4 Расчеты на прочность Допустимые напряжения при расчете по предельным нагрузкам емкостей и аппаратов, которые работают при статических одноразовых нагрузках, определяются согласно ГОСТ 14249-89. Расчет на прочность гладкой цилиндрической обечайки кожуха, нагруженной внутренним избыточным давлением, проводится согласно ГОСТ 14249-89. | ||||||
|
Новости |
Мои настройки |
|
© 2009 Все права защищены.