РефератыПромышленность, производствоПрПроектирование горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата для подогрева продукта пер

Проектирование горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата для подогрева продукта пер

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. tн
б
= 140
С



к
= tкип


3. Греющий агент – конденсат водяного пара



кд
= 1380
С



кд
= 340
С


2. Расчетная часть


2.1
Теплотехнический расчёт


Температура конденсации греющего пара tн
кд
= 1380
С


Начальная температура конденсата на входе в греющую камеру теплообменника tн
кд
= 1380
С


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 – Вн
с
= 4,5%


Жира - Вн
ж
= 1,5%


Уравнение материального баланса процесса выпаривания (3) 5.2



* Вн
= Gк
* Вк


Выход упаренного бкльона:



= Gн
* Вн
/ Вк
= 0,5*6/20 = 0,15кг/с


Конечная концентрация сухих веществ:


Вк
с
= Gн
* Вн
с
/ Gк
= 0,5*4,5/0,15 = 15%


Конечная концентрация жира:


Вк
ж
= Вк
- Вк
с
= 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* В1,1
к
* Ра0,17
= 0,025*26,986*2,083 = 1,40
С


Гидростатическая депрессия


Давление над поверхностью бульона:


Р1
= Ра = 75кПа = 75000Па


Температура кипения воды при данном давлении: (1) Табл. 4


t1
= 91,750
С.


Принимаем температуру кипения бульона предварительно tкип
= 950
С.


Плотность бульона Вк
= 20% при tкип
= 950
С.


1/ρ = 10-2
*((100 - Вк
)/ ρв
+ Вк
с
/ ρс
+ Вк
ж
/ 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
= 93,130
С (1) Т.4


Гидростатическая депрессия:
(3) 5.25


∆ʼʼ = tср
– t1
= 93,13 – 91,75 = 1,380
С


Температура кипения бульона: (5) 13



= t1
+∆ʼ+∆ʼʼ = 91,75 + 1,4 + 1,38 = 94,530
С


2.3. Температурная схема процесса:






t о
С




Большая разность температур:


∆tб
= tкд
н
- tб
к


∆tб
= 138-94,53=43,47 о
С [2] стр 227.


Меньшая разность температура:


∆tм
= tкд
к
- tб
н


∆tб
= 34-14=20 о
С


Отношение ∆tб
/∆tм
= 43,47/20 = 2,1735 ˃ 2 (3) стр. 169


2.4.
Средняя разность температур:


∆tср
= (∆tб
- ∆tм
) / ln (∆tб
/∆tм
) [3] 4.78


∆tср
= (43,47-20)/ln 2.1735= 23,47/0.7763=30,2o
С


2.5.
Изменение температуры:


Конденсата: ∆tкд
= tкд
н
- tкд
к
= 138 – 34 = 104 o
С


Бульона: ∆tб
= tб
к
- tб
н
= 94,53 – 14 = 80,53 o
С


∆tкд
˃∆tб
, следовательно (3) стр. 170 средняя температура бульона (3) 4.82:



ср
= (tк
+ tн
)/2 = (94,53 + 14) / 2 = 54,265 o
С


Средняя температура конденсата: (3) 4.82.


tкд
ср
= tб
ср
+ ∆tср
= 54,265 + 30,2 = 84,469 o
С


2.6.
Теплофизические характеристики бульона концентрацией Вн
= 6%, при


средней температуре Тср
= 273 + tб
ср
= 273 + 54,265 = 327,265К


Плотность: (5) 73


1/ρ = 10-2
*((100 – Вн
)/ ρв
+ Вс
/ ρс
+ Вж
/ ρж
)


ρв
= 986,4 кг/ 7Wk
= 1305 - 307*0,8 = 1059,4 кг/м3
– плотность сухих веществ


ρж
= 1098 – 0,605 Ткип
= 1098 – 0,605*(273 + 95) = 875,4 кг/м3
– плотность жира


1/ ρб
= 10-2
*((100 - 6)/ 986,4 + 15/ 1059,4 + 5/ 875,4) = 0,001516


ρб
= 659,63 кг/м3


Удельная теплоёмкость (5) 74:


С = 10-2
*((100 – Вн
)* Св
+ Вс
* Сс
+ Вж
* Сж
)


Св
= 4,18 кДж/кг*К – удельная теплоёмкость воды (3) т. XXXIX


Сс
= 3130 – 5,02 * Тср
= 3130 – 1642,87 = 1487,13 Дж/кг*К - удельная теплоёмкость сухих веществ (6) II 133


Сж
= 1031 + 3,025 * Тср
= 1031 + 989,98 = 2020,98 Дж/кг*К


Сб
= 10-2
*((100 – 6)*4180 + 15*1487,13 + 5*2020,98) = 4253,32 Дж/кг*К.


Коэффициент теплопроводности (5) 75


1/λ = 10-2
*((100 – Вн
)/ λ в
+ Вс
/ λ с
+ Вж
/ λ ж
)


λ в
= 0,625 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности воды (3) т. XXXIX


λ с
= 0,531 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности сухих веществ (6) т. II 8


λ ж
= 0,359 * 0,00064 * Тср
= 0,359 * 0,00064 * 327,265 = 0,075 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности жира (6) II 289.


1/ λ б
= 10-2
*((100 – 6)/ 0,625 + 15/ 0,531 + 5/ 0,075) = 2,3912


λ б
= 0,418 Вт/(м*К)


Динамический коэффициент вязкости: (4) II-12


µ б
= µ ср
(1 + 2,5φ)


µ ср
= 0,507 мПа*с – динамический коэффициент вязкости воды (среды) (3) т. XI


φ = Вн
/100 = 6/100 = 0,06 – начальная концентрация в сотых долях


µ б
= 0,507*(1+2,5*0,06) = 0,58305*10-3
Па*с.


2.7.
Теплофизические характеристики конденсата при средней температуре.


tкд
ср
= 84,469 o
С (3) XXXIX


ρкд
= 968,5 кг/ м3


λ кд
= 0,687 Вт/(м*К)


С кд
= 4,220 кДж/(м*К)


µ кд
= 0,3361*10-3
Па*с


2.8.
Тепловой поток (5). 2


Q = Gн
* Сб
* (tк
– tн
) = 0,5*4253,32*(94,53-14) = 171260 Вт


2.9.
Расчет конденсата с учётом 5% тепловых потерь в окружающую среду: (1) стр.44



= 1,05


СТкд
= xн
* Q/ Скд
* (tкд
н
- tкд
к
) = 1,05*171260/4220*(138-34) = 0,41 кг/с


2.10.
Компоновка теплообменника:


Пропускаем бульон по трубкам теплообменника, конденсат в межтрубном пространстве (1) стр. 41


Диаметр трубок теплообменника принимаем в соответствии с ГОСТ 9929 – 77 на теплообменные аппараты (1).


Принимаем стальные бесшовные трубы по ГОСТ 8734 – 78 диаметром


d 25*2 мм (1) т.21.


Внутренний диаметр:



= dн
- 2δст
= 25 - 2*2 = 0,021 м


Расчётный диаметр:



= dн
- δст
= 25 – 2 = 23мм = 0,023 м


Предварительно принимаем турбулентное течение бульона в трубах. Критерий Рейнольдса Re˃10000. Принимаем Re = 11000.


Количество трубок в одном ходе: (5) 3


n1
= 4* Gб
н
/π* dв
*Re* µ б
= 4*0,5/3,14*0,021*11000*0,58305*10-3
≈ 4


Принимаем, предварительно коэффициент теплопередачи от конденсата к бульону (1) т. 21


Кʼ = 800 Вт/(м²*К).


Площадь поверхности аппарата, предварительно: (5)


Fʼ = Q/ Кʼ*∆tср
= 171260/800*30,2 = 7,09 м²


Расчётная длинна одной трубки при одном ходе:


L1
=0,318*F /dр
*n1
= 0,318*7,09/0,023*4 = 24,51 м


Принимаем рабочую длину трубок:


l = 4 м (1) стр. 65


Число ходов в многозаходном теплообменнике (1) 3.12.


z = L/ l = 24,51/4 = 6,13


Принимаем z = 6


Размещаем трубки по вершинам правильных треугольников:


Шаг трубок S = 1,3* dн
= 1,3*25 = 32,5 мм (1) стр.66.


Принимаем радиус окружности, на который располагаются внутренние трубки:


r = 2* dн
= 2*25 = 50 мм.


Радиус окружности, на который располагаются крайние трубки:


R = r + 4*S = 50 + 4*32,5 = 180 мм.


Диаметр окружности, на которой располагаются крайние трубки:


Dʼ = 2*R = 2*180 = 360 мм


Внутренний диаметр корпуса теплообменника: (1) 3.14.



= Dʼ + 4* dн
= 360 + 4*25 = 460 мм


Принимаем внутренний диаметр теплообменника dв
= 600 мм = 0,6 м


(1) стр.67 (кратный 200).


Общее число труб в теплообменнике: n0
= n1
*z = 4*6 = 24


На основании выполненной компоновки теплообменника, принимаем для дальнейших теплотехнических расчётов шестиходовой кожухотрубный горизонтальный теплообменник, общее число труб n0
= 24. Число труб в ходе n1
= 4. Внутренний диаметр корпуса Dв
= 0,46 м



2.11.
Скорость бульона в трубках: (1) 38.


ω б
= Gн
/0,785* d²в
* n1
* ρб
= 0,5/0,785*0,000441*4*659,63 = 0,55 м/с ˃ 0,1 м/с


(1) стр.63.


2.12.
Критерий Рейнольдса (1) 2.26.


Re б
= ω б
*dв
* ρб
/µ б
= 0,55*0,021*659,63/0,58305*10-3
= 13067˃10000 – развитое турбулентное течение.


2.13.
Расчётная формула (3) 4.17.


Nu б
= 0,021 * Re0,8
* Pr0,43
*(Pr/Prст
)0,25


Критерий Прандтля: (3) 4.12.


Pr б
= С б
* µ б
/ λ б
= 4253,32*0,58305*10-3
/0,418 = 5,93.


Принимаем отношение (Pr/Prст
)0,25
= 1,05 для нагревающегося бульона (3) стр.152


Критерий Нуссельта:


Nu б
= 0,021 * 1963,09 * 2,15 * 1,05 = 93,1


Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к бульону: (3) 4.11.


= Nu б
* λ б
/ dв
= 93,1*0,418/0,021 = 1853 Вт/(м²*К).


2.14.
Проходное сечение межтрубного пространства: (1) 3.3.


S = 0,785*( D²в
- n0
* d²н
) = 0,785*(0,2116 - 24*0,000625) = 0,154 м²


2.15.
Эквивалентный диаметр dэ
= dв
= 0,021 м.


2.16.
Скорость конденсата в межтрубном пространстве: (1) стр. 64.


ω кд
= Gкд
/0,785* d²в
* n1
* ρкд
= 0,41/0,785*0,000441*4*968,5 = 0,31 м/с


2.17.
Критерий Рейнольдса:


Rе кд
= ω кд
*dэ
*ρкд
/ µ кд
= 0,31*0,021*968,5/0,3361*10-3
= 18759


2.18.
Расчётная формула (3) 4.31. для шахматных пучков:


Nu кд
= 0,4 * ε φ
* Re0,6
* Pr0,36
*(Pr/Prст
)0,25


Поправочный коэффициент на обтекание сегментных перегородок, поддерживающих трубы (3) стр.157 ε φ
= 0,6.


Критерий Прандтля для конденсата:


Prкд
= С кд
* µ кд
/ λ кд
= 4220*0,3361*10-3
/0,687 = 2,065


Принимаем для охлаждающегося конденсата отношение:


(Pr/Prст
)0,25
= 0,93 (3) стр.152


Критерий Нуссельта:


Nu кд
= 0,4 *0,6*366,37*1,298*0,93 = 106,14.


Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке трубки:


= Nu кд
* λ кд
/ dн
= 106,14*0,687/0,025 = 2916,7


2.19.
Термическое сопротивление загрязнения стенки трубы со стороны конденсата:


rз1
= 1/2500 м²*К/Вт


Термическое сопротивление загрязнений трубы со стороны бульона


rз2
= 1/2900 м²*К/Вт (органическая жидкость) (3) т. XXXIX


Коэффициент теплопроводности стали:


λ ст
= 42 Вт/м*К (3) т. XXVII


Суммарное термическое сопротивление стенки трубы: (5)


Σ rст
= rз1
+ δст
/ λ ст
+ rз2
= 1/2500 + 0,02

/42 + 1/2900 =


= 0,0004 + 0,00047619 + 0,000344827 = 0,00122 м²*К/Вт.


2.20.
Коэффициент теплопередачи стали:


К = 1/(1/ + Σ rст
+ 1/ ) = 1/(1/2916,7 + 1/0,00122 + 1/1853) =


= 1/0,002102518 = 475,62 Вт/ м²*К


2.21.
Поверхность теплообмена:


F = Q/ К*∆tср
= 171260/475,62*30,2 = 11,92 м²


2.22.
Расчётная длина трубок: (1) стр.65


l = F/ π * dр
* 78 = 11,92/3,14*0,023*78 = 2,12 м.


На основании характеристик теплообменников. ТН с трубами d 25*2


ГОСТ 15118-79 (3) т. 4.12, характеристик кожухотрубных аппаратов типа ТН


По ГОСТ 9929-77, принимаем длину теплообменных труб lн
= 3 м (1) табл.10


Принятая поверхность теплообмена:


F т
= π * dр
* lн
* n0
= 3,14*0,023*3*24 = 5,2 м²


2.23.
Схема процесса теплопередачи.


Удельный тепловой поток:


q = К*∆tср
= 475,62*30,2 = 14364 Вт/ м²


Разность температур конденсата и наружной поверхности стенки трубы:


∆t1
= q/ = 14364/2916,7 = 5 о
С


Температура наружной поверхности стенки трубы:


tст1
= tкд
ср
- ∆t1
= 84,5 – 5 = 79,5 о
С


Разность температур поверхности стенки и бульона:


∆t2
= q/ = 14364/1853 = 7,8 о
С


Температура внутренней поверхности стенки трубы:


tст2
= tб
ср
- ∆t2
= 80,5 – 7,8 = 72,7 о
С






Конденсат водяного пара


tкд
ср
=84,5о
С


tст1
=79,5 о
С


=
2916,7 Вт/(м2
∙К)


rз1








рыбный бульон



ср
=80,5 о
С tст2
=72,7 о
С


q =14364 Вт/ м²


=
1853 Вт/(м2 ∙К)


rз2

















3.Конструктивный расчет.


3.1.
Высота (длина) днища h. Принимаем h/ DН
= 0,2 (1) т.58.


Находим высоту днища, приняв предварительно наружный диаметр корпуса теплообменника: DН
= 0,608 м.


h = 0,2* DН
= 0,2*0,608 = 0,125м.


3.2.
Длина входной и промежуточной камер:


L кам
= 2* h = 0,25м


3.3.
Длинна корпуса теплообменника:


L к
= lн
+ 2* L кам
= 9 + 2*0,25 = 9,5м.


3.4.
Габаритная длина теплообменника:


L т
= L к
+ 0,1 = 9,5 + 0,1 = 9,6 м.


3.5.
Расстояние от фланца до оси патрубка входа конденсатора,


принимаем = 0,15 м.


3.6.
Диаметр окружности центров болтовых отверстий принимаем



= Dв
+ 0,07 = 0,6 + 0,07 = 0,67 м


3.7.
Наружный диаметр фланца корпуса принимаем:



= Dб
+ 0,05 = 0,67 + 0,05 = 0,72 м.


3.8.
Диаметр патрубков для бульона: (1) 3.42.



= 1,13*ρ), где ω = 2 м/с – средняя скорость жидкости в нагнетательных проводах насосных установок. (1) т.3.3.



= 1,130,5/(970,2*2) = 0,018м.


Принимаем патрубки из стальной бесшовной горячекатаннойной трубы


По ГОСТ 8732-78 диаметром d 32*3 мм (1) т.22.


3.9.
Диаметр патрубков для конденсата:


dкд
= 1,13*ρ) = 1,130,785/(968,5*1) = 0,032м,


где ω = 1 м/с – для конденсата греющего пара.


Принимаем трубы из стальной бесшовной горячекатаннойной трубы


По ГОСТ 8732-78 диаметром d 32*3 мм (1) т.22.


4. Гидравлический расчёт.


Гидравлический расчёт выполняют для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление этих потерь, а также выбора средств для транспортировки теплоносителей при движении их через аппарат и все другие каналы (трубопроводы) установки.


4.1.

Расчётная гидравлическая схема






В выпарную установку









конденсат








бульон








Бак для сбора конденсата








Слив конденсата








Бак для бульона




Весь путь движения продукта делим на 3 участка.


4.2.
Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи бульона из бака в теплообменник. Принимаем диаметр трубопровода d = 32*2,5мм. Внутренний диаметр трубопровода и эквивалентный диаметр:



= dэ
= dн
- 2* δст
= 32 - 2*2,5 = 27 мм = 0,027 м.


Плотность бульона концентрацией Вн
= 6% при начальной температуре



б
= 140
С:


Тн
= 273 + tн
б
= 273 +14 = 287 К.


1/ρб
= 10-2
*((100 – Вн
)/ ρв
+ Вс
/ ρс
+ Вж
/ ρж
) 5(73)


ρв
= 999,4 кг/м3
(4) т.3


ρс
= 1016,4 кг/м3
, (6) II. 129.


ρж
= 1098 – 0,605* Тн
= 1098 – 0,605*287 = 924,3 кг/м3
.


1/р
= 10-2
((100 - 6)/ 999,4 + 4,5/ 1016,4 + 1,5/ 924,3) = 0,10005*10-3
м3
/ кг


ρб
=
999,5 кг/м3


Динамический коэффициент вязкости: (4) II. 12.


µ б
= µ с
(1 + 2,5φ) = 1,098*(1+2,5*0,06) = 1,263*10-3
Па*с.


Где µ с
= 1,098 мПа*с – динамический коэффициент вязкости среды (3) т.VI.


Скорость бульона в трубопроводе:


ω б
= Gн
/0,785* d²в
* ρб
= 0,5/0,785*0,000441*659,63 = 2,19м/с


Критерий Рейнольдса:


Re б
= ω б
*dэ
* ρб
/µ б
= 2,19*0,027*659,63/1,263*10-3
= 30882˃10000 – развитое турбулентное течение.


Коэффициент трения: (1) 3.56.


λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² = 0,023


Принимаем длину трубопроводов l = 3 м


Местные сопротивления:


Вход в трубопровод ξ1
= 1 (3) стр.26


Калено гладкое: R = 4d – 2 = ξ =1*2 = 2


Вентиль нормальный D25 мм – 2:


ξ = 6*2 = 12 (3) т. XIII


Сумма местных сопротивлений:


Σ ξ = 1+2+12 = 15


Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.



4.3.
Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи конденсата из сборного бака в теплообменник.


Диаметр трубопровода оставляем как и для бульона d = 32*2,5мм



= dэ
= 0,027 м.


Длина трубопровода l = 3 м


Плотность конденсата при начальной температуре tн
кд
= 1380
С (3) т.XXXIX, ρкд
=927,9 кг/ м3


Динамический коэффициент вязкости конденсата


µ кд
= 0,199*10-3
Па*с


Критерий Рейнольдса:


Re кд
= ω кд
*dэ
* ρкд
/µ кд
.


Скорость конденсата:


ω кд
= Gкд
/0,785* d²в
* ρкд
= 0,785/ 0,785*0,000441*927,9 = 2,45 м/с


Re кд
= 2,45*0,027*927,9/0,000199 = 321741 ˃ 105
(1) стр. 78


Абсолютная средняя шероховатость труб ∆ = 0,1мм = 0,0001 м


Относительная шероховатость трубы:


е
= ∆/ dэ
= 4*10-3
м


Коэффициент трения:


λ = 1/(0,78*ln(3,7/е))² = 0,035


Местные сопротивления:


Вход в трубопровод: ξ = 1


Вентиль нормальный D25 мм – 2: ξ = 6*2 = 12


Колено гладкое 90˚ : R = 4d – 3, ξ =1*3 = 3


Сумма местных сопротивлений:


Σ ξ = 1+3+12 = 16


Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.


4.4.

Гидравлическое сопротивление по линии бульона:


Коэффициент трения:


λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² =0,17


Длина канала l = z* lн
= 6,13*3 = 18,4 м.


Эквивалентный диаметр dв
= dэ
= 0,021 м


Местные сопротивления:


Входная и выходная камеры – 2:


ξ = 1,5*2 = 3


Вход в трубки и выход из них 12:


ξ = 1*12 = 12


Поворот на 180˚ через промежуточную камеру – 5:


ξ =2,5*5 = 12,5.


Вентиль нормальный Dу = 25 мм – 2:


ξ = 6*2=12


Сумма местных сопротивлений:


Σ ξ = 3 +12 + 12,5 + 12 = 39,5


Полное гидравлическое сопротивление по линии бульона:



4.5.
Полное гидравлическое сопротивление по линии конденсата:


Коэффициент трения при Re = 18759:


λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² =0,026


Длина канала l = L = 3м


Местные сопротивления:


Входная и выходные камеры = 1,0*4=4 [3] стр.26


Вход в трубки и выход из них: =1,0*6=6


Поворот на 180 через промежуточную камеру: =2,5*5=12,5


Вход в межтрубное пространство под углом 90˚ к рабочему потоку - ξ = 1,5


Выход из межтрубного пространства под углом 90˚ - ξ = 1


Огибание перегородок, поддерживающих трубы:


Принимаем расстояние между перегородками l = 0,5 м


Число перегородок n = L/l - 1 = 3/0,5 - 1 = 5


ξ = 0,5*5 = 2,5


Вентиль нормальный Dу25 – 2


ξ = 6*2 = 12


Сумма местных сопротивлений:


Σ ξ = 4 + 6 + 12,5 + 1,5 + 1 + 2,5 + 12 = 39,5


Полное гидравлическое сопротивление по линии конденсата:



4.6.
Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи бульона в выпарную установку.


Плотность бульона концентрацией Вн
= 6% при конечной температуре



к
= 94,53˚С


Тн
= 273 + tб
к
= 367,53 К


1/ρб
= 10-2
*((100 – Вн
)/ ρв
+ Вс
/ ρс
+ Вж
/ ρж
) 5(73)


ρв
= 960 кг/м3
(4) т.3


ρс
= 1016,4 кг/м3
, (6) II. 129.


ρж
= 1098 – 0,605* Тн
= 1098 – 0,605*367,53 = 875,64 кг/м3
.


1/р
= 10-2
((100 - 6)/ 960 + 4,5/ 1016,4 + 1,5/ 875,64) = 0,00104063 м3
/ кг


ρб
=
961 кг/м3


Динамический коэффициент вязкости: (4) II – 12


µ б
= µ с
(1 + 2,5φ) = 0,345*(1+2,5*0,06) = 0,4*10-3
Па*с.


Где µ с
= 0,345 мПа*с – динамический коэффициент вязкости среды (3) т.VI.


Скорость бульона в трубопроводе:


ω б
= Gн
/0,785* d²в
* ρб
= 0,5/0,785*0,000441*961 = 1,5 м/с


Критерий Рейнольдса:


Re б
= ω б
*dэ
* ρб
/µ б
= 1,5*0,027*961/0,4*10-3
= 97301˃10000 – развитое турбулентное течение.


Абсолютная средняя шероховатость новых стальных труб:


Δ = 0,1 мм = 0,0001 м


Относительная шероховатость трубы:


е
= Δ/ dэ
= 0,0001/0,027 = 4*10-3


Коэффициент трения: (1) 3.56.


λ = 1/(0,87*ln (3,7/ е
))² = 0,028


Местные сопротивления:


Вентиль нормальный ξ = 6


Выход из трубы ξ = 1


Сумма местных сопротивлений:


Σ ξ = 1+6 = 7


Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.



4.7.
Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости Нг
= 5 м (конструктивно).


Потеря давления, развиваемого насосом на подъём конденсата:


= ρкд
* g * Нг
= 927,9*9,81*5 = 45513 Па


Потеря давления, развиваемого насосом на подъём бульона:


= ρб
* g * Нг
= 987*9,81*5 = 48412 Па


4.8.
Подбор насоса для подачи бульона:


Полный напор развиваемый насосом: (3) стр.91


= +++= 27770 + 65132 +10930 + 48412 = 143244 Па


Объёмная производительность насоса:



= Gн
/ρб
н
= 0,5/999,5 = 1,39*10-3
м3
/с = 5 м3
/ч.


Потеря напора:


Н = / ρ*g = 143244/987*9,81 = 15 м.вод.ст.


Принимаем центробежный насос марки X8/18, КПД насоса = 0,5


Мощность электродвигателя:


N = Vб
*/ = 1,39*10-3
*143244/0,5 = 398 Вт


Принимаем электродвигатель серии 2В 100S2 мощностью N2
= 4,0 кВт


4.9.
Подбор насоса для перекачивания конденсата.


Полный напор, развиваемый насосом:


= ++= 55388 + 2011 + 45513 = 102912 Па.


Объёмная производительность:


Vкд
= Gкд
/ρкд
н
= 0,785/927,9 = 0,846*10-3
м3
/с = 3,05 м3
/ч.


Потеря напора:


Н = / ρ*g = 102912/927,9*9,81 = 11 м.вод.ст.


Принимаем центробежный насос марки X8/18, КПД насоса = 0,5


Мощность электродвигателя:


N = Vкд
*/ = 0,846*10-3
*102912/0,5 = 174 Вт


Принимаем электродвигатель серии 2В 100S2 мощностью N2
= 4,0 кВт


5. Механический расчёт


5.1.
Основные детали теплообменника: корпус, фланцы, днища, обечайки, болты, принимаем из стали ст.3 (1) стр.83


Номинальное допускаемое напряжение стали Вст3 ,


=132 МПа


Поправочный коэффициент для обогреваемого корпуса с отверстиями для приварки патрубков и выпуклых днищ :


=0,9 – для корпуса


=0,95 – для днища с отверстиями


Расчётное допускаемое напряжение на растяжение для стали Вст3 (1 стр.48)


Для корпуса:


МПа


Для днища:


МПа


Коэффициент прочности сварного стыкового шва, свариваемого электросваркой вручную =0,7


5.2.
Толщина стенки корпуса:



Р = 45513 Па = 0,045 мПа – принимаем давление в корпусе аппарата равным давлению, развиваемому насосом подачи конденсата.


С = 0,003 м – конструктивная добавка на коррозию, овальность



5.3.
Толщина выпуклого днища:



Р = 135611 Па = 0,14 мПа – давление во входной камере, равное давлению, создаваемому насосом подачи бульона.



= dв
+ 2*δ1
= 0,6 + 2*0,004 = 0,608м – наружный диаметр корпуса.


Фактор формы днища – К = 2,1 (1) стр.124


Отношение h
/ dн
=0,125/0,608 = 0,21


Отношение (t+d)/ dн
= (0,1+0,032)/0,608 = 0,22


Толщина выпуклого днища:


= (0,14*0,608*2,1)/(2*125,4*0,7)+0,003 = 4*10-3
мм


5.4.
Расчёт болтов фланцевого соединения корпуса.


Усилие, открывающее днище входной камеры от фланца (1) 5.119


Q = π* d²ср
*(Р/4) = 3,14*0,72²*(0,21/4) = 0,085мм


Принимаем предварительно внутренний диаметр резьбы болта (1) т.13



= 14 мм = 0,014 м


Принимаем отношение шага расположения болтов к внутреннему диаметру:


S/ Dв
= 5


Шаг болтов, предварительно: (1) стр.157


z = π* Dв
/t = 3,14*0,6/0,07 = 30


Принимаем число болтов кратное четырём z = 32


Уточнённый шаг болтов:


t=π* Dб
/ z = 3,14*0,67/32 = 0,066м


Усилие на один болт:


Р0
= К*Q/z = 2*0,085/32 = 5,3*10-3
мм,


где К=2 – коэффициент затяжки болта для мелких прокладок (1) стр.157


Внутренний диаметр резьбы болта (1) 5.123.


D=1,13+0,005=1,13+0,005= 0,0125 м = 12,5 мм


Принимаем болты с шестигранной головкой нормальной точности по ГОСТ 7798-70 (1) т.13


Номинальный диаметр резьбы 16 мм.


Шаг резьбы – крупный, резьба метрическая М16


5.5.
Толщина круглого приварного фланца: (1) 5.125.


δ = β+C


β=0,43 – коэффициент для фланцев, имеющих прокладку по всей торцевой поверхности (1) стр.159


r0
= Dб
/2 = 0,67/2 = 0,335м – радиус окружностей центров болтовых отверстий


r = Dв
/2 = 0,6/2 = 0,3м – внутренний диаметр корпуса


d = 0,018м – диаметр болтового отверстия


δн
= δ = 118,8 мПа – допускаемое напряжение на изгиб (1) 5.2


С = 0,004м – конструктивная прибавка (1) 158.


δ = β+C = 0,43+0,004 = 8,7*10-3
м = 9 мм


6. Расчёт тепловой изоляции.


Тепловая изоляция используется для уменьшения тепловых потерь, повышения эффективности использования теплоносителя, выполняя требования техники безопасности и защиты поверхности от коррозии.


6.1.
Принимаем температуру на поверхности изоляции, согласно санитарным нормам t = 40C


6.2.
Принимаем температуру окружающего воздуха t =20C


6.3.
Принимаем теплоизоляционный материал: минераловатно-асбестовые плиты К = 4, коэффициент теплопроводности = 0,079 ВТ/мК


6.4.
Коэффициент теплопередачи в окружающую среду


= + =9,74+0,07=9,74+0,07(40-20)=11,14 ВТ/мК


6.5.
Удельный тепловой поток от изолированной поверхности к окружающему воздуху:


q
= ) = 11,14*(40-20) = 222,8 ВТ/м


6.6.
Толщина тепловой изоляции:


q
*= (0,079/222,8*(138-40)) = 0,035 м = 35мм


Список используемой литературы:


1. Солнцев В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств и химической технологии: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию. - Влад.: ТГЭУ, 2006.-100 с.


2. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1987.-239 с.


3. Соколов В.И. Основы расчёта и конструирования машиностроения и аппаратов пищевых производств. – М.: Машиностроение, 1983.-484 с.


4. Расчёты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств/ под ред. С.М. Гребешока. – М. – Агропромиздат, 1987. – 304 с.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Проектирование горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата для подогрева продукта пер

Слов:5569
Символов:41551
Размер:81.15 Кб.