Зразок роботи
1.4 Кожухотрубні теплообмінники
Кожухотрубні теплообмінники - найпоширеніші в харчовій промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні й надійні в експлуатації. На рис.1 зображено одноходовий кожухотрубний теплообмінник.
Рис.1 Одноходовий кожухотрубний теплообмінник
1– корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки
Одноходовий кожухотрубний теплообмінник жорсткої конструкції має корпус або кожух 1 з привареними до нього трубними решітками 2, в яких закріплений пучок труб 3. До трубних решіток на болтах і прокладках кріпляться кришки 4. Один теплоносій рухається трубним простором, а інший – міжтрубним.
Теплоносії здебільшого рухаються протитоком один до другого. Вибір напряму руху кожного із теплоносіїв обумовлений напрямом, у якому вони прагнуть рухатися під впливом зміни їх густин під час нагрівання або охолодження. Тобто середовище, яке підлягає нагріванню направляють знизу вверх, а те що віддає тепло – у протилежному напряму. За таких умов досягають більш рівномірного розподілу швидкостей. Інакше, більш нагріта частина рідини, як більш легка буде накопичуватись у верхній частині апарату, утворюючи застійні зони.
Схема багатоходового теплообмінника показана на рис.2. Від одноходового теплообмінника ця конструкція відрізняється тим, що труби розділені на секції поперечними перегородками 5, встановленими в кришках теплообмінника. Розбиття на ходи, якими послідовно рухається рідина, що протікає у трубному просторі теплообмінника здійснюють таким чином, щоб у всіх секціях знаходилась приблизно однакова кількість труб. Через те, що площа сумарного поперечного перерізу труб розміщених у одній секції є меншою ніж поперечний переріз всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (відносно до швидкості у одноходовому теплообміннику ) в кількість разів, що дорівнює кількості ходів. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища у між трубному просторі призначені сегментні перегородки 6, які в горизонтальних теплообмінниках одночасно є й проміжними опорами для пучка труб.
Рис.2. Кожухотрубний багатоходовий теплообмінник
1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4–кришки; 5 - перегородки в кришках; 6 - пегородки у міжтрубному просторі.
Одноходові та багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними або горизонтальними. Простішими у експлуатації і компактнішими є вертикальні апарати. Горизонтальні теплообмінники здебільшого багатоходові і забезпечують більшу швидкість середовищ, що задіяні у теплообміні, для того щоб мінімізувати розшаровування рідин внаслідок різниці їх густин і температур, а також уникнути утворення застійних зон.
2. Розрахунки
Вихідні дані для розрахунку:
Продуктивність апарату: G=10 т/год (2,77 кг/с)
Початкова температура води: tп1= 10 0C
Кінцева температура води :tк1= 80 0C
Тиск нагрівної пари: T=0,2 мПа
Температура нагрівної пари: t2=111 0C
Матеріал труб – мідь; діаметр труб - 25×2 мм; абсолютна шорсткість внутрішньої поверхні труб ∆=0,01 мм; коефіцієнт корисної дії приводу насосу ŋ=0,8.
Обчислюємо середню різницю температур теплоносія і продукту:
∆ tб = t2– tп1= 111 - 10= 101 º C
∆ tм = t2– tк1 = 111 - 80= 31 º C
Оскільки Δtб/Δtм =3,,1 > 2,0, то згідно з формулою (6.6):
∆tcp = (101-31)/ln(101/31)= 61,4 °C
Визначимо середню температуру води:
tcp = t2 - ∆tcp =111 – 61,4 =49,6 °С
При середній температурі гріючої води tср=49,6 ºC теплофізичні параметри охолодної води обираємо за допомогою таблиці (Д.1):
Λ2= 0,640 Вт/(м•К)
ρ 2= 988,5 (кг/м3)
μ2=0,0005541 (Па•с)
с2=4175,5 Дж/(кг•К)
Pr2=3,586
Теплове навантаження з урахуванням теплових витрат, (Дж/с) або (Вт):
Q2 = Gв•св•(tк1-tп1) (6.5)
де Gв–витрати води,(кг/с);с2 – теплоємність цукрового розчину, (Дж/(кг•К)).
Q2 = 2,77 •4175,5 •(80 - 10) = 809 630 (Вт)
Витрати пари визначаємо з рівняння теплового балансу (6.5):
D = xQ/(i''-i') = xQ/r =1.05×809 630/2202×103=0.386 кг/с
Розрахуємо режим руху води в трубах і швидкість руху води в трубах. Для цього знаходимо спочатку кількість труб діаметром 25×2 мм для одного ходу теплообмінника за турбулентного режиму руху. Обираємо значення Re=20 000. Тоді за формулами (6.37) і (6.38) кількість труб одного ходу:
n1=m/(0.785dвReμ1) = 2.77/(0.785×0.021×20000×0,0005541) =12
Швидкість руху води в трубах
w = 20 000×554,1×10-6/(0.021×988.5) = 0.53 м/c
Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі за формулою (6.21):
Nu = 0.023×20 0000.8×3.80.4 = 108.5
Α2= (Nu× λ2)/d=(108.5×0,640)/0.021=3 306 Вт/(м2×К)
Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від водяної пари до стінки. Орієнтовно вибираємо температуру стінки з боку конденсату tcт = 97 °С. Тоді температура плівки конденсаті:
tпл =0.5(111+97)=104 °C
За цією температурою знаходимо фізичні характеристики конденсату:
λ= 0,682 Вт/(м•К)
ρ= 952 (кг/м3)
μ=0,000359 (Па•с)
r=2233 кДж/кг
Висота поверхні теплопередачі: l =1.5 м.
Тоді за рівнянням (6.35) коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки.
α2 = 0.9434√0.6823×9522×2233×103×9.81/(359×10-6×23×1.5) = 4478 Вт/(м2×К)
Коефіцієнт теплопередачі для чистої поверхні:
kчист =1/(1/4478+0.002/384+1/3292) = 1880 Вт/(м2×К)
Коефіцієнт теплопередачі для забрудненої поверхні за значенням коефіцієнта використання теплообміну 0,75:
k=1880×0.75= 1410 Вт/(м2×К)
Перевіряємо правильність прийнятного значення температури стінки за формулою (6.18):
tст =111 – (1410/4478)×61.4 = 111-19.4 = 91.6 °C
Площа поверхні теплопередачі розраховується за формулою (6.1):
F = 809 630 /(1410×61.4) = 9.35 м2
Конструктивний розрахунок
Розрахункова довжига всіх ходів визначається за формулою (6.39):
L =9.35/(3.14×0.023×16) =8.63 м
Кількість ходів трубного простору визначається за формулою (6.40):
z=8.63/2 = 4.31
Магістр