Теплообменник (работа 1)
2
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра химической технологии
Допускаю к защите
Руководитель доцент каф. ХТ
Губанов Н.Д.
И.О.Фамилия
Рассчитать и подобрать двухсекционный пластинчатый теплообменник
для охлаждения пивного сусла
наименование темы
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине
Технологическое оборудование
1.000.00.00 ПЗ
обозначение документа
Выполнил студент группы ТПП-04-1 _______ .
шифр подпись И.О.Фамилия
Нормоконтролер ________________ .
подпись И.О.Фамилия
Курсовой проект защищен
с оценкой____________
Иркутск
2008 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Технологический расчет
1.1 Общий тепловой баланс
1.2 Расчет ориентировочной поверхности теплопередачи. Выбор теплообменного аппарата
1.3 Уточненный расчет теплообменного аппарата
1.3.1 Расчет коэффициентов теплоотдачи в секции водяного охлаждения
1.3.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи в рассольной секции
1.4 Необходимая поверхность теплопередачи
2 Гидравлический расчет
2.1 Расчет гидравлических сопротивлений
2.1.1 Секция водяного охлаждения
2.1.2 Секция рассольного охлаждения
Список литературы
Введение
Для расчета и подбора нормализированного теплообменного аппарата составим и рассчитаем тепловой баланс из которого определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход теплоносителя. Рассчитаем среднюю разность температур, выберем по опытным данным ориентировочный коэффициент теплопередачи. Рассчитаем ориентировочное значение поверхности теплообмена и по нему выберем стандартный теплообменник. Произведем уточненный расчет стандартного теплообменника: уточним коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителя и уточненный расчет коэффициента теплопередачи. Сопоставим поверхности теплообмена расчетной и нормированной. Произведем гидравлический расчет.
Теплообменные аппараты применяются для проведения теплообменных процессов (нагревание или охлаждение). В данном курсовом проекте мы рассчитываем рекуперативный теплообменник, в котором теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.
Предложено на расчет пластинчатый теплообменный аппарат. Поверхность теплообмена в таком аппарате образована набором штампованных гофрированных пластин. Сами аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными).
Разборные теплообменники могут работать при давлении 0,002 – 1,0 МПа и температуре рабочих сред от -20 до +180 ºС, полуразборные – при давлении 0,002 – 2,5 МПа и той же температуре; неразборные (сварные) аппараты могут работать при давлении 0,0002 – 4,0 МПа и температуре от – 100 до +300 ºС.
Пластинчатые теплообменники широко используются в пищевой промышленности в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации и стерилизации.
Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплоотдачи, достигающаяся гофрированием пластин.
Эффективность обусловлена большой величиной отношения площади теплопередачи к объему теплообменника. Это достигается высокими скоростями теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкому термическому сопротивлению стенок пластин.
Эти теплообменники изготовляют в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.
К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность загрязнения поверхности пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами.
Технологический расчет
1.1 Общий тепловой баланс
Тепловой поток через пластины водяной секции:
(1.1)
Тепловой поток через пластины рассольной секции:
(1.2)
Принимаем конечную температуру воды 40°С.
Разность температур охлаждаемого сусла и воды:
Разность температур охлажденного сусла и воды:
Средняя разность температур теплообменивающихся жидкостей при противотоке:
Разность температур охлаждаемого сусла и рассола:
Разность температур охлажденного сусла и рассола:
Средняя разность температур теплообменивающихся жидкостей в рассольной секции:
1.2 Расчет ориентировочной поверхности теплопередачи
Выбор теплообменного аппарата
Ориентировочное значение
коэффициента теплопередачи выбираем
на основании [3]. Вид теплообмена: от
жидкости к жидкости, при вынужденном
движении
.
Примем
.
Зная тепловую нагрузку аппарата, рассчитав среднею разность температур и выбрав ориентировочный коэффициент теплопередачи, определим ориентировочную поверхность теплообмена для водяной секции:
,
(1.3)
и для рассольной секции:
По ГОСТ 15518-83, при такой площади теплообмена выбираем теплообменный аппарат типа Р исполнение 3 для секции рассольного охлаждения:
f – поверхность теплообмена одной пластины (f=0,2м2);
F – поверхность теплообмена (F=31,5м2);
N – количество пластин (N=160шт);
M – масса аппарата (M=1485кг).
По ГОСТ 15518-83, при такой площади теплообмена выбираем теплообменный аппарат типа Р исполнение 3 для секции рассольного охлаждения:
f – поверхность теплообмена одной пластины (f=0,2м2);
F – поверхность теплообмена (F=16м2);
N – количество пластин (N=84шт);
M – масса аппарата (M=1222кг).
В соответствии с [1] пластина с f=0,2м2, имеет габаритные размеры:
длина – 960 мм;
ширина – 460 мм;
толщина – 1,0мм;
d>э> – эквивалентный диаметр канала (d>э>=8,8 мм=0,0088м);
S – поперечное сечение канала (S=17,8·10-4 м2);
L – приведенная длина канала (L=0,518 м);
m – масса пластины (m=2,5кг);
d>ш> – диаметр условного прохода штуцеров (d>ш>=150мм=0,15м).
1.3 Уточненный расчет выбранного теплообменного аппарата
Пусть компоновка пластин самая простая: Сх: 80/80 и 42/42, т.е. по одному пакету (ходу) для обоих потоков.
1.3.1 Расчет коэффициента теплоотдачи для секции водяного
охлаждения.
Скорость сусла в 68 каналах с проходным отверстием 0,00178 м2 равна
,
(1.4)
где
- скорость сусла.
Определим тип движения в каналах, для этого найдем число Рейнольдса
,
(1.5)
где, Re – число Рейнольдса;
-
скорость теплоносителя, м/с;
- эквивалентный диаметр, м;
– плотность теплоносителя,
кг/м3;
- вязкость теплоносителя, Па∙с.
В секции водяного охлаждения средняя температура сусла:
Для сусла при 100°С по формуле (1.11)
Режим движения турбулентный.
Критерий Прандтля для потока сусла:
(1.6)
В секции водяного охлаждения средняя температура воды:
Найдем число Рейнольдса из формулы(1.6)
Режим движения турбулентный.
Примем термические сопротивления для воды среднего качества 1/r>З.в.>=2000 Вт/м2·К, для сусла 1/r>З.сус.>=1800 Вт/м2·К. Повышенная коррозийная активность воды диктует применять нержавеющую сталь в качестве материале для пластин. Теплопроводность нержавеющей стали [1] при толщине пластины 1,0 мм, примем равную λ>СТ>=17,5 Вт/м2·К. Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:
,
(1.7)
Для секции водяного охлаждения коэффициент теплопередачи:
, (1.8)
Преобразуем формулу(1.8), и получим
(1.9)
Уточненный расчет учитывая температуры стенок:
Уравнение интерполяции:
Коэффициент теплопередачи для секции водяного охлаждения
1.3.3 Коэффициент теплопередачи для рассольной секции
Скорость движения рассола принимаем в 1.5 раза ниже скорости сусла, так как рассол имеет низкую температуру и значительную вязкость:
В секции рассольного охлаждения средняя температура сусла:
Для сусла при 15°С по формуле (1.5)
Режим движения турбулентный.
Критерий Прандтля для потока сусла:
В секции рассольного охлаждения средняя температура рассола:
Найдем число Рейнольдса из формулы(1.5)
Режим движения турбулентный.
Для секции рассольного охлаждения коэффициент теплопередачи:
, (1.10)
Преобразуем формулу(1.10), и получим
1.4 Необходимая поверхность теплопередачи
Согласно формуле(1.3), найдем
поверхность теплопередачи, только
вместо
,
подставим расчетную К
.
Выбранные нами теплообменники для водяной и рассольной секций подходят с запасом.
2 Гидравлический расчет
Расчет гидравлических сопротивлений
Гидравлическое сопротивление рассчитываем:
,
(2.1)
где x – число пакетов для данного теплоносителя, компоновка однопакетная(x=1);
L – приведенная длина канала(L=0,518м);
d>Э> – эквивалентный диаметр канала(d>Э>=0,0088м);
- коэффициент местного сопротивления;
- плотность теплоносителя, кг/м3;
- скорость теплоносителя, м/с;
- скорость в штуцерах, м/с.
Найдем коэффициент местного сопротивления – ξ, который зависит от типа пластины и движения теплоносителя [1].
Секция водяного охлаждения
Найдем коэффициент местного сопротивления – ξ, который зависит от типа пластины и движения теплоносителя.
Режим движения для воды – турбулентный. Значит коэффициент местного сопротивления при ламинарном режиме движения
,
(2.2)
где коэффициент а>1>=320. Для воды по формуле(2.2)
Найдем скорость в штуцерах [1]
,
(2.3)
где
- скорость в штуцере, м/с;
- расход теплоносителя, кг/с;
- диаметр штуцера(=0,2м);
- плотность теплоносителя, кг/м3.
Скорость в штуцерах для горячего теплоносителя
.
Так как
>2,5м/с,
то скорость в штуцерах учитываем.
Гидравлическое сопротивление воды по формуле(2.1), с учетом скорости в штуцерах
Секция рассольного охлаждения
Режим движения для рассола – турбулентный. Значит коэффициент местного сопротивления при турбулентном режиме движения
,
(2.4)
где коэффициент а>2>=15,0. Для холодного теплоносителя по формуле(2.4)
.
Найдем по формуле(2.3) скорость в штуцерах, для холодного теплоносителя
Так как
>2,5м/с,
то скорость в штуцерах учитываем.
Гидравлическое сопротивление рассола по формуле(2.1)
Список литературы
1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С.Борисов, В.П.Брыков, Ю.И.Дытнерский и др. Под. ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие для вузов; под. ред. чл. – корр. АН России П.Г.Романкова. – 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2006. – 576 с.
3. Ульянов Б.А., Бадеников В.Я., Ликучёв В.Г. Процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие – Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2005 г. – 903 с.
4. ГОСТ 15518-87 Аппараты теплообменные пластинчатые.
5. И.Т. Кретов, С.Т.Антипов, С.В.Шахов Инженерные расчеты технологического оборудования предприятий бродильной промышленности – М.: КолосС, 2004 г. – 391 с.