Министерствоаграрной политики Украины
Сумскийнациональний аграрный университет
Кафедратехнологического оборудования пищевых производств
КУРСОВОЙПРОЕКТ
по дисциплине “Процессы иаппараты пищевых производств”
Тема работы: Расчет ипроектирование вертикального кожухотрубного теплообменника для пастеризациипродукта.
Руководитель проекта
Студент
Группа
Юхименко Н. П.
Калюжный Д.В.
ТМЯ-0503-1
2007
Министерствоаграрной политики Украины
Сумскийнациональний аграрный университет
Кафедратехнологического оборудования пищевых производств
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА
К КУРСОВОМУПРОЕКТУ
по дисциплине “Процессы иаппараты пищевыхпроизводств”
Тема работы: Расчет ипроектирование вертикального кожухотрубного теплообменника для пастеризациипродукта.
Руководитель проекта
Студент
Группа
Юхименко Н.П.
Калюжный Д.В.
ТМЯ-0503-1
2007
Министерствоаграрной политики Украины
Сумский национальнийаграрный университет
Кафедратехнологического оборудования пищевых производств
Задание накурсовой проект
по дисциплине„Процессы и аппараты пищевых производств
СтудентуКалюжному Д. В. группы ТМЯ-0503-1 II курса
1. Темакурсового проекта “Расчет и проектирование вертикального кожухотрубноготеплообменника для пастеризации продукта”
2. Основныеначальные данные: Расчитать и спроектировать вертикальный кожухотрубныйтеплообменник (G=2,8 />) дляпастеризации продукта от начальной температуры t1=12 0C до конечной температуры t2=70 0C. Продукт попадает в трубноепространство принудительно с помощью насоса и движется по трубам со скоростьюw=2,0 />, горячий теплоноситель(греющий водяной пар) попадает в межтрубное пространство с tп=140 0С
3. Переченьобязательного графического материала: технологическая схема участкапастеризации продукта, сборочный чертеж теплообменника кожухотрубного, всего1,25 листа формата А1.
4. Рекомндуемаяспециальная литература: процессы и аппараты пищевых производств; Расчет ипроектирование теплообменников; методические указания к выполнению курсовогопроекта/Сумы: Сумский национальный аграрный университет, 2002. – 26 с.
5. Сроквыполнения ____________________________________
6. Срок защиты_______________________________________
7. Дата выдачизадания «___» _______________ 2007р.Руководитель проекта Юхименко Н. П.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Теоретические основы теплообменного процесса. Выбор конструкции аппарата
1.1 Одноходовой кожухотрубный теплообменник
1.2 Общие сведения о развальцовке труб теплообменника
2 Расчетно-конструкторская часть
1. Тепловой расчет аппарата
2. Конструктивный расчет аппарата
3. Гидравлический расчет аппарата
4. Расчеты на прочность
3 Расчеты и выбор вспомогательного оборудования
3.1 Выбор насоса
3.2 Выбор резервуаров
4 Новизна принятых конструктивных и технологических решений
ВЫВОД
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А. Кожухотрубный теплообменник
ВВЕДЕНИЕ
Рациональноеи эффективное использование тепловой энергии является сегодня определяющимфактором в выборе стратегии технического и технологического перевооруженияпредприятий.
Качество,цена, надежность, экономичность и доступность сервисного обслуживания – вот текритерии, на которые ориентируется большинство организаций, принимающих решениео закупке необходимого оборудования. Вэтой связи не вызывает сомнений актуальность высококачественных теплообменныхкожухотрубных аппаратов находящим самое широкое применение в пищевой,нефтехимической, химической промышленности, в ЖКХ, энергетике.
Ясность,наглядность и очевидность технико-экономических преимуществ новейшихтехнических и технологических решений по сравнению с морально устаревшимоборудованием является основным и необходимым условием, которое должноучитываться при выборе соответствующего оборудования. Но самым важным критериемвыбора аппарата является его экономическая обоснованность. Экономиятеплоресурсов позволяет снизить цену на изготвляемую продукцию, что не маловажно в условиях жесткой конкуренции.
1 Теоретические основы теплообменного процесса. Выбор конструкцииаппарата
Тепловые процессы — технологические процессы, которыепротекают со скоростью, обусловленной законами теплопередачи.
Теплообменные аппараты — аппараты, предназначенные дляпроведения тепловых процессов.
Теплоносители — тела (среды), которые принимают участие втеплообмене.
Существует три способа переноса тепла: теплопроводность,конвективный теплообмен и тепловое излучение.
Теплопроводность – явление переноса тепловой энергиинепосредственным контактом между частичками тела.
Конвективный теплообмен – процесс распространения вследствии движения жидкости или газа.
Естественная (свободная) конвекция обусловлена разностьюплотности в разных точках объема теплоносителя, который возникает вследствиеразности температур в этих точках.
Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движениемвсего объема теплоносителя.
Тепловое излучение – процесс передачи тепла от одного тела кдругому, распространением электромагнитных волн в пространстве между этимителами.
Теплоотдача — процесс переноса тепла от стенки дотеплоносителя или в обратном направлении.
Теплопередача — процесс передачи тепла от более нагретогоменее нагретому теплоносителю через разделяющую их поверхность или твердуюстенку.
При проектировании теплообменных аппаратов тепловой расчетсводится к определению необходимой поверхности теплообмена F, (м2),по основному уравнению теплопередачи:
/>, (1.1)где
Q – тепловая нагрузка теплообменника, (Вт);
Dtср – средняя разность температур, (0С);
К – коэффициент теплопередачи, />.
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м2 стенки при разности между теплоносителями, равной 1 град.
Тепловую нагрузку теплообменника определяют из уравнениятеплового баланса. Если пренебречь потерями тепла к окружающей среде, которыеобычно не превышают 5%, то уравнение теплового баланса будет иметь вид:
Q=Q1=Q2, (1.2)где
Q1 и Q2 – количество тепла, которое отдал горячий теплоноситель и которое передано холодному теплоносителю соответственно, (Вт).
Во время теплообмена между теплоносителями уменьшаетсяэнтальпия (теплосодержание) горячего теплоносителя и увеличивается энтальпияхолодного теплоносителя. Уравнение теплового баланса (1.2) в развернутом виде:
Q=G1(i1п-i1к) =G2(i2к-i2п), (1.3)где
G1 и G2 – затрата горячего и холодного теплоносителя соответственно, />;
i1п, i1к – начальная и конечная энтальпии горячего теплоносителя, />;
i2п, i2к – начальная и конечная энтальпии холодного теплоносителя, />.
Если во время теплообмена не изменяется агрегатное состояниетеплоносителей, энтальпии последних приравнивают произведению теплоемкости натемпературу и тогда уравнение теплового баланса (1.3) будет иметь вид:
Q=G1c1(t1п-t1к)=G2c2(t2к-t2п), (1.4)где
c1 и с2 – средние удельные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей соответственно, />;
t1п, t1к – температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат и на выходе из него, (0С);
t2к, t2п – температуры холодного теплоносителя на выходе из аппарата и на входе в него, (0С).
Из уравнения (1.4) можно найти затраты горячего илихолодного теплоносителей при известных значениях других параметров. В случаеиспользования в качестве горячего теплоносителя насыщенного водяного паравеличин i1п, />, и i1к,/>, в уравнении (1.3) будутсоответственно энтальпиями пара, который поступает, и конденсата, которыйвыходит из теплообменника. Уравнение теплового баланса, предполагая, что отдачатепла при охлаждении пара к температуре конденсации и при охлаждении конденсатанезначительная:
Q=Gгр(i1п-i1к) =G2c2(t2к-t2п), (1.5)где
где Gгр – затрата греющего пара, />.
Предполагая, что отдача тепла при охлаждении пара ктемпературе конденсации и при охлаждении конденсата незначительная, уравнениетеплового баланса (1.5) можно записать в виде:
Q=Gгрr=G2c2(t2к-t2п), (1.6)где
r – удельная теплота конденсации, />.
По уравнениям (1.5) и (1.6) определяют затраты водяногопара. Если греющий пар является влажным, то теплоту конденсации умножаем настепень сухости водного пара. Если имеем тепловые потери в окружающую среду, товеличину тепловой нагрузки необходимо умножить на коэффициент, которыйучитывает тепловые потери. Энтальпию и удельную теплоту конденсации греющегопара определяют по справочникам [6,10]. Коэффициент теплопередачи К, />, для плоской теплообменной поверхности:
/>, (1.7)где
a1, a2 – коэффициенты теплоотдачи соответственно для горячего и холодного теплоносителя, />.
Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2 к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 град.
dст – толщина теплообменной стенки, (м);
lст – коэффициент теплопроводности материала стенки, />
Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Коэффициенты теплоотдачи определяют из критерия Нуссельта, апоследний находят по разным критериальным уравнениям в зависимости от конкретныхусловий теплообмена. В случае развитого турбулентного движения жидкостей втрубах и каналах (Re>10000):
Nu=/> (1.8)
Для критериев Nu, Re и Pr за определяющую температурупринимается средняя температура жидкости, а для критерия Prст —температура стенки. По линейным размерам в критериях Nu и Re берется внутреннийдиаметр трубы или эквивалентный диаметр канала. При ламинарном движении(Re
Nu=/> (1.9)
Для воздушного теплоносителя формулы (1.8) и (1.9)соответственно:
Nu=0,018Re0,8; (1.10)
Nu=0,13Re0,33Gr0,1. (1.11)
Для случая движения теплоносителя в межтрубном пространствекожухотрубных теплообменников:
Nu=С(dеRe)0,6Pr0,33, (1.12)где
С – коэффициент, который учитывает присутствие сегментных перегородок в межтрубном пространстве;
dе – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, (м).
/>, (1.13)где
f – плоскость поперечного сечения потока, (м2);
П – периметр сечения потока, (м);
D – внутренний диаметр кожуха, (м);
d – внешний диаметр трубы, (м);
z – количество ходов по трубному пространству;
n – количество труб в одном ходе.
При поперечном обтекании пучка труб (угол атаки 90о),шахматном и коридорном расположении труб соответственно:
Nu=/> (1.14)
Nu=/> (1.15)
Среднюю разность температур />,(0С), в случае прямотечения и противотечения определяют каксреднелогарифмическую разность:
/>, (1.16)где
Dtб, Dtм – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника, (0С).
Если />
/>. (1.17)
Для аппаратов с перекрестным и смешанным течениемтеплоносителей средняя разность температур находится путем умножения значениясреднелогарифмического температурного напора достигаемого при противотечейнойсхеме движения теплоносителей на поправочный коэффициент, который определяетсяпо справочникам [4-6].
1.1 Кожухотрубный теплообменник
Для проведения процесса пастеризации продукта выбираетсякожухотрубная конструкция теплообменника.
/>Кожухотрубные теплообменники наиболеешироко распространены в
пищевых производствах.
Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник
снеподвижными трубными решетками (см. рис. 1) состоит из цилиндрическогокорпуса-1, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубнымирешетками-2 с закрепленными в них греющими трубами-3 (см. рис. 2), концы которыхзакреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, аиногда на сальниках. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника натрубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусуприкреплены с помощью болтового соединения два днища-5. Для ввода и выводатеплоносителей корпус и днища имеют патрубки-4. Один поток теплоносителя,например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам ивыходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя,например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омываетснаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.
Кожухотрубныетеплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурнымкомпенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии сГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми потрубному пространству.
Греющиетрубы в трубных решетках размещают несколькими способами: по сторонам ивершинам правильных шестиугольников(в шахматном порядке), по сторонам ивершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способыразмещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника.
Из-замаленькой скорости движения теплоносителей одноходовые теплообменникихарактеризуются низкими коэффициентами теплоотдачи. С целью интенсификациитеплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, разделяютна несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно.Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнемднищах. Так же секционировать можно и межтрубное пространство за счет установкинаправляющих перегородок. Благодаря всем этим способам достигается повышениескорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи втрубном пространстве.
Припроектировании кожухотрубных теплообменников теплоноситель, который наиболее загрязняетповерхность теплообмена, направляют в трубное пространство, которое легчеочищать.
1.2 Ообщие сведения о развальцовке трубтеплообменника
Наиболее распространенный способ крепления труб врешетке — развальцовка. Трубы вставляют в отверстия решетки с некоторымзазором, а затем обкатывают изнутри специальным инструментом, снабженнымроликами (вальцовкой). При этом в стенках трубы создаются остаточныепластические деформации, а в трубной решетке — упругие деформации, благодарячему материал решетки после развальцовки плотно сжимает концы труб. Однако приэтом материал труб подвергается наклепу (металл упрочняется с частичной потерейпластичности), что может привести к растрескиванию труб. С уменьшениемначального зазора между трубой и отверстием в решетке наклеп уменьшается,поэтому обычно принимают зазор 0,25 мм. Кроме этого для обеспечениякачественной развальцовки и возможности замены труб необходимо, чтобы твердостьматериала трубной решетки превышала твердость материала труб.
Развальцовочноесоединение должно быть прочным и плотным (герметичным). Прочность соединенияоценивают усилием вырыва трубы из гнезда, плотность — максимальным давлениемсреды, при котором соединение герметично.Развальцовка является наиболее распространенным способомполучения прочных и герметичных соединений труб с трубными решетками(коллекторами) теплообменных аппаратов.
Для получения надежногосоединения трубы с трубной решеткой (коллектором) необходимо выполнитьследующее условие:
D' = Dо + />+ KxS,
где D'- расчетныйвнутренний диаметр трубы после развальцовки
Dо- внутренний диаметр трубы до развальцовки
/>-диаметральный зазор между трубой и трубной решеткой
(/>= Dотв — Dн)
S-толщина стенки трубы
К- коэффициент, учитывающий типтеплообменного аппарата:
К = 0,1 — для конденсаторов, маслоохладителей,водоподогревателей, испарителей, бойлеров и т.п.
К= 0,2 — для котлов
/>
Для того, чтобы правильновыбрать инструмент для развальцовки труб в трубных решетках, необходиморасполагать следующей информацией:
· материал трубнойрешетки;
· диаметр отверстийтрубной решетки “Dотв” (см. рис. 3);
· толщина трубнойрешетки “H” (см. рис. 3);
· шаг перфорации(расстояние между центрами соседних отверстий) “t” (см. рис. 10);
· наличие вотверстиях трубной решетки уплотнительного рельефа, формируемого шариковымраскатником (см. рис. 4);
· наличие в трубнойрешетки канавок (см. рис. 5);
· наличие двойныхтрубных решеток, их толщины “Н1” и “Н2” и расстояние “B”между трубными решетками (см. рис.9);
· материал трубы;
· наружный диаметртрубы «Dн» (см. рис.6);
· толщина стенкитрубы «S» (см. рис.6);
· высота выступаниятруб «h» над плоскостью трубной решетки (см. рис.6);
· глубинаразвальцовки труб «L» (см. рис.6);
· наличиеотбуртовки конца трубы (см. рис.8);
· наличие сварки всоединении трубы с трубной решеткой (см. рис.7)
/>/>
2 Расчетно-конструкторская часть.
2.1 Тепловой расчет аппарата.
Исходныеданные. Проектируемый кожухотрубный теплообменник предназначен для пастеризациипродукта 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 идвигается по трубам со скоростью w=2,0 />.Греющий пар подводится в меж трубное пространство с температурой tп=1400С. Теплообменные трубы Æ30´2,5мм (внешний диаметр d=30 мм, толщина стенки dст=2,5 мм), длинатруб в пучке lТ=2,5 г. Материал труб — медь, толщина слоязагрязнения на поверхности трубок s=0,001 г, абсолютная шероховатость внутренней стенки трубки D=0,01. Коэффициент полезного действия (к.п.д) насоса />=0,8.
Средняяразность 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
/>/>/>/>/>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] Разностьтемператур 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)
Теплофизическиесвойства 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 /> иплотность rпл=950 />.Удельная теплота конденсации пара (при температуре tп=140 0С)r=2150×103/> (соответственно [6]).
Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенкамтеплообменных трубок a1, />:
/> (2.9)
/>/>.
Теплофизическиесвойства 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 /> иплотность rпр=991 /> .
Теплофизические свойства пристеночного слоя продукта (притемпературе tст2=74,66 0С) (соответственно [6]):коэффициент динамической вязкости mст=0,4×10-3 (Па×с), удельная теплоемкость cст=4225 />, коэффициенттеплопроводности lст=0,669 /> иплотность rст=975 />.
Критерий Рейнольдса (Re) для потока продукта:
/> (2.10)
Критерий Прандтля для потока продукта (Pr) и дляпристеночного слоя продукта (Prст):
/>, (2.11)
/>. (2.12)
Критерий Нуссельта (Nu) (для случая развитого турбулентногодвижения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000) по формуле (1.8)):
Nu=/>
Nu=/> =355.
Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменных труб кпродукту a2, />:
/>/> (2.13)
Термическоесопротивление стенки ( без учета термического сопротивления загрязнений) Rст,/>:
Rст=/> />,[2] (2.14)
Общий коэффициент теплопередачи между средами К, /> (по формуле (1.7)):
/> />.
Тепловаянагрузка аппарата (количество тепла, которое передается через поверхностьтеплообмена от теплоносителя до продукта) Q, (Вт) (по формуле (1.4)):
Q=Gcпр(t2-t1)=2,8×4159(70-12)=675422 Вт.
Необходимаяповерхность теплообмена F, (м2) (по формуле (1.1)):
/>(м2).
Затрата теплоносителя (греющего пара) Gгр, />:
/>/>. (2.15) [3]
2.2 Конструктивный расчет аппарата
Площадьсечения всего потока продукта (площадь сечения пучка труб) f, (м2):
/>(м2), (2.16)
Количествотруб n1 в трубном пучке:
/> (2.17)
принимается n1= 3 теплообменных трубы в каждомходе 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 кожухотрубноготеплообменника.
Необходимое количество теплообменных труб в трубной решеткеn:
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-nd2)=
=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 перемещенияпродукта по трубному пространству теплообменного аппарата:
/>(Вт) (2.30) [8]
V=/>/> . (2.31)
N=/> (Вт).
2.4 Расчеты на прочность
Допустимыенапряжения при расчете по предельным нагрузкам емкостей и аппаратов, которыеработают при статических одноразовых нагрузках, определяются согласно ГОСТ14249-89.
Расчетна прочность гладкой цилиндрической обечайки кожуха, нагруженной внутреннимизбыточным давлением, проводится согласно ГОСТ 14249-89.
/> Рисунок 11 – Расчетная схема обечайки кожуха теплообменника
Исполнительная толщина стенки обечайки s, (мм):
s³sр+с (2.32) [9]
/>(мм), (2.33) [10]
с=с1+с2+с3 (2.34)[11]
где с1=Пt=0,1×15=1,5(мм), (2.35) [12]
с=1,5+0+0=1,5 (мм),
Исполнительная толщина стенки обечайки s, (мм):
s³sр+с=0,41+1,5=1,91(мм).
Соответственно приведенным в ГСТУ 3-17-191-2000 значенийминимальным толщинам стенок обечаек и днищ принимается s=5,0 мм.
Внутреннееизбыточное давление, которое допускается [р], (МПа):
/>(МПа) (2.36)
Условиеприменения расчетных формул (для обечаек и труб при D (200 мм):
/>, (2.37)
условие выполняется.
3 Расчеты и выбор вспомогательного оборудования.
3.1 Выборнасоса
В соответствии с технологической схемой участка пастеризациипродукта для перекачивания продукта выбирается шесть центробежных насосов маркиХ20/18 с параметрами: подача Q= 5,5×10-3/>, напорН= 10,5 (м), частота вращения вала n= 48,3 (с-1), коэффициентполезного действия hн=0,6, приводной электродвигатель типа АО2-31-2 мощностью Nн=3квт.
/> Рисунок 12 – Схема установления насоса
Выбранный насос разрешает достичь геометрической высотыподъема жидкости HГ£11 м с учетом потерь напора на преодоление гидравлическогосопротивления теплообменного аппарата DР=84453 Па.
3.2 Расчет объема накопительногорезервуара и уравнительного бака для пастеризованного продукта.
Номинальный объем емкости накопительного резервуара иуравнительного бака для исходного раствора пастеризованного продукта иконденсата:
/>(м3), (3.1) [13]
Выбирается пять горизонтальных емкостных аппарата.
4 Новизнапринятых конструктивных решений
Теплообменные аппаратысоставляют многочисленную группу теплосилового оборудования, занимаязначительные производственные площади и превышая зачастую 50% стоимости общейкомплектации в теплоэнергетике, химической, нефтеперерабатывающей и пищевойпромышленности, и ряде других отраслей. Поэтому правильный выбортеплообменников представляется исключительно важной задачей.
К настоящему времениможно выделить два наиболее распространенных типа теплообменных аппаратов — кожухотрубныеи пластинчатые.
Широко известныетрадиционные кожухотрубные аппараты, обладая рядом преимуществ, вместе с темимеют и очень существенные недостатки. В частности — неблагоприятныемассогабаритные характеристики, низкие показатели надежности. Эти аппаратыпочти всегда требуют применения грузоподъемного оборудования, предполагаютналичие значительных свободных площадей и далеко не всегда могут бытьсмонтированы, а тем более заменены при ремонте без демонтажа конструкцийздания. Применение в этих аппаратах латунных и гладкостенных труб дополняетнеприглядную техническую характеристику. Латунь при определенных условиях(которые почти всегда создаются в теплообменниках, применяемых в отоплении игорячем водоснабжении) подвержена обесцинкованию даже в пресной воде. Цинкпопадает в воду горячего водоснабжения, кроме того, происходит разрушение стеноктруб.
Но даже и когда этиусловия не создаются, усиливается влияние другого отрицательного фактора — образование накипи и иных отложений на стенках труб, что приводит к потереработоспособности аппаратов по критерию «тепловая эффективность».
Следует принять вовнимание и достаточно высокие цены на эти аппараты вследствие использованиябольшого количества цветного металла.
На сегодняшний денькожухотрубные теплообменники на порядок уступают пластинчатым теплообменникам.
Сравнение пластинчатыхтеплообменников с кожухотрубными теплообменниками (см. рис.13)
/>
Рисунок 13 — Теплообменники Обычно кожухотрубныетеплообменники эффективно используются при давлениях теплоносителя более 25кгс/см2. Но при давлениях до 25 кгс/см2 пластинчатыетеплообменники являются значительно более эффективными.
При аналогичныхпараметрах пластинчатые теплообменники в 3-6 раз меньше по габаритам исоставляют 1/6 от веса кожухотрубных теплообменников. Таким образом, экономятсяне только площади под установку, но и снижаются начальные затраты. Конструкциякожухотрубного теплообменника обеспечивает гораздо меньшие коэффициентытеплопередачи, чем пластинчатого при аналогичной потере давления. Даже в самыхлучших кожухотрубных теплообменниках значительные поверхности труб находятся вмертвых зонах, где отсутствует теплопередача. В отличие от кожухотрубныхпластинчатые теплообменники могут быть легко разобраны для обслуживания иремонта без демонтажа подводящих трубопроводов. Для обслуживания пластинчатыхтеплообменников требуется площадь в 3-6 раз меньше, чем для кожухотрубных.
Основные преимущества использования пластинчатых теплообменников.
1. Экономичность ипростота обслуживания.
Призасорении пластинчатый теплообменник может быть разобран, промыт исобран в течение 4-6 часов. В кожухотрубных теплообменниках процессочистки трубок часто ведет к их разрушению и заглушению.
2. Низкая загрязняемостьповерхности теплообмена вследствиевысокой турбулентности потока жидкости, образуемой рифлением, а такжекачественной полировки теплообменных пластин.
3. Срок эксплуатации первой выходящей из строя единицы — уплотнительнойпрокладки — у ведущих европейских производителей достигает 10 лет. Срок работы теплообменныхпластин — 20-25 лет. Стоимость замены уплотнений колеблется в пределах 15-25%от стоимости пластинчатого теплообменника, что экономнее аналогичного процессазамены латунной трубной группы в кожухотрубном теплообменнике, составляющей80-90% от стоимости аппарата.
4. Стоимостьмонтажа пластинчатоготеплообменника составляет 2-4% от стоимости оборудования, что на порядокниже, чем у кожухотрубного теплообменника.
5. Даже теплоноситель с заниженнойтемпературой в системах теплоснабжения позволяет нагревать воду в пластинчатомтеплообменнике до требуемой температуры.
6. Индивидуальный расчеткаждого пластинчатого теплообменника по оригинальной программе завода-изготовителя позволяетподобрать его конфигурацию в соответствии с гидравлическим и температурнымрежимами по обоим контурам.
7. Гибкость: в случае необходимости площадьповерхности теплообмена в пластинчатом теплообменнике может быть легкоуменьшена или увеличена простым добавлением или извлечением пластин.
8. Двухступенчатая система горячеговодоснабжения, реализованная в одном пластинчатом теплообменнике, позволяетзначительно сэкономить на монтаже и уменьшить требуемые площади подиндивидуальный тепловой пункт.
9. Конденсация водяного парав пластинчатом теплообменнике снимает вопрос о специальном охладителе,т.к. температура конденсата может быть 50 С иниже.
10. Меньше ограничений вработе: замерзание водыв пакете пластин не приводит к фактическому повреждению аппарата. После оттаивания пластинчатыйтеплообменник готов к эксплуатации, а кожухотрубный теплообменник получаетповреждение трубок.
11. Устойчивость квибрациям: пластинчатыетеплообменники высокоустойчивы к наведенной двухплоскостной вибрации, котораяможет вызвать повреждения кожухотрубного теплообменника.
Рассмотримсравнительную характеристику кожухотрубного и пластинчатого теплообменника (см.рис.14)/>
/>
Добиться того, чтобыкожухотрубный теплообменный аппарат обладал комплексом преимуществ неуступающих, а даже и превосходящих пластинчатый теплообменник, удалось,соединив воедино целый ряд давно известных, но не реализуемых потехнологическим причинам рекомендаций (а также — ряд новшеств): увеличениемповерхности теплообмена (оребрением ее со стороны теплоносителя с меньшимкоэффициентом теплоотдачи), у величениемкоэффициента теплоотдачирациональнымподбором гидродинамики теплоносителя, плотно упакованные трубные пучки;особотонкостенные трубки уменьшенного диаметра, имеющие специальный профиль;неметаллические трубные решетки, изготавливаемые по специально отработаннойтехнологии. Корпус аппарата также имеет ряд особенностей: особотонкостенныетрубы, термическая разгруженность цепочки «корпус-трубный пучок»путем применения плавающих трубных решеток (обеспечивается разборность аппаратаи снимаются ограничения по подаче холодной и горячей сред в любую полость),повышение надежности по показателю взаимопроникновения сред благодаряприменению двойного уплотнения с сигнальными отверстиями, использованиеспециальных направляющих перегородок. Как для теплопередающих трубок, так и длякорпусов используются высоколегированные коррозионностойкие стали или титановыесплавы, что обеспечивает заданные показатели надежности при характерных длянаших теплообменников повышенных скоростях движения сред.
Для проведения процесса пастеризации продукта спроектировантеплообменный кожухотрубній аппарат: кожух Æ360´5 мм, теплообменные трубы Æ30´2,5мм, расположение труб в трубной решетке — по сторонам и вершинам квадратов (корридорное), количество труб n=12, количество ходов по трубному пространству z=4; площадь поверхноститеплообмена F=2,43 м2.
ВЫВОД
Данный курсовой проектпредставляет собой комплекс расчетно-графических работ, по конструированию,выбору кожухотрубного теплообменника и подбору вспомогательного оборудования кнему для проведения технологических процессов в мясной промышленности.
Спроектированный наосновании расчетов и подборов четырехходовой кожухотрубный теплообменныйаппарат позволяет проводить необходимые процессы с заданными параметрами.
В ходе проведенияпроектных и расчетных работ (конструктивный расчет, гидравлический расчет,расчет на прочность) выбраны конструктивные единицы, подтверждена механическаянадежность, экономически-обоснованный выбор (материал труб, длина и т. д.),конструктивное совершенство аппарата. Эти факторы являются основными длявысокопродуктивной, бесперебойной работы оборудования в промышленных условиях.
Списокиспользованной литературы
1 ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета напрочность. — Взамен ГОСТ 14249-89; Введ. 18.05.89. — М.: Гос. ком. СССР постандартам, 1989. — 80 с., ил.
2 ГСТУ 3-17-191-2000. Посудинита апарати стальні зварні. Загальні технічні умови. — На заміну ОСТ 26-291-94;Введ. 16.02.2000. — К.: Державний комітет промислової політики України, 2000. —301 с., іл.
3 ДНАОП 0.00-1.07-94. Правила устройства и безопасной эксплуатациисосудов, работающих под давлением. Введ. 01.03.1995. — К.: Государственныйкомитет Украины по надзору за охраной труда, 1994. — 200 с., ил.
4 Машины и аппараты химических производств: примеры и задачи.Учебное пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Машины иаппараты химических производств» / И.В.Доманский, В.П.Исаков, Г.М.островский идр.; Под общ. ред. В.Н.Соколова. — Л.: Машиностроение, 1982.
5 Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособиепо 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.
6 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи покурсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов /Под ред. П.Г.Романкова. — 9-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1981.
7 Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств / Под ред. В.Н.Стабникова. — К.: Вища школа, 1982.
8 Разработка конструкции химического аппарата иего графическоймо дели. Методические указания. — Иваново, 2004.
9 Справочник по теплообменникам, М.Химия, 1982. 328 с.
10 Стабников В.Н., Лисянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппаратыпищевых производств. М.: Агропромиздат, 1985.
11 Теплофизические свойства газов, растворителей и растворовсолей. Справочник /Сост. Е.М.Шадрина и др. Иваново. 2004.
12 Уплотнения подвижных соединений: Методические указания\Сост.Э.Э.Кольман-Иванов; МИХМ.- М., 1992. – 32 с.
13 – теплообменные аппараты.
14 – общие сведения о развальцовке труб.
15 – кожухотрубные теплообменники.
16 – сравнение кожухотрубного и пластинчатого теплообменников.
Документация А4 СНАУ 00.00.00 000 ПЗ Пояснительная записка А1 СНАУ 00.00.00 000 СБ Сборочный чертеж
Сборочные единицы А4 1 СНАУ 00.00.01 000 СБ Распределительная камера 1 А4 2 СНАУ 00.00.02 000 СБ Крышка 1 А4 3 СНАУ 00.00.03 000 СБ Пучок трубный 1
Детали А4 4 СНАУ 00.00.00 001 Пробка 1 А4 5 СНАУ 00.00.00 002 Прокладка
Стандартные изделия 6 Болт М12х45 ГОСТ 7798 12 7 Болт М16х55 ГОСТ 7798 8 8 Гайка М12 ГОСТ 5915 12 9 Гайка М16 ГОСТ 5915 8 10 Гайка М20 ГОСТ 5915 48 11
Прокладка А-40-0,25
ГОСТ 15180 2 12
Прокладка А-50-0,25
ГОСТ 15180 1 13
Прокладка А-125-0,25
ГОСТ 15180 1 14
Прокладка А-300-0,25
ГОСТ 15180 2 15
Фланец II-40-0,25
ГОСТ 12821 2 16
Фланец II-50-0,25
ГОСТ 12821 1 17
Фланец II-125-0,25
ГОСТ 12821 1 18 Шайба 12 ГОСТ 11371 12 19 Шайба 16 ГОСТ 11371 8 20 Шайба 20 ГОСТ 11371 48 21
Шпилька М20´90
ГОСТ 22032 24
Материалы 22
Почва ГФ-021
ГОСТ 26129 кг 23
Эмаль ПФ-115 серая
ГОСТ 6465 кг