В пищевой промышленности значительную роль играют процессы, связанные с передачей теплоты от одних сред (теплоносителей) к другим через разделяющую их стенку. Такие процессы называются теплопередачей, а для их осуществления используются поверхностные (рекуперативные) теплообменные аппараты.
Среди таких аппаратов в пищевой промышленности используются и кожухотрубчатые теплообменные аппараты, поверхность теплопередачи которых образована пучком труб, герметично закрепленных в трубных решетках.
Трубное пространство теплообменника образуется объемом воды, занимающей распределительную камеру, днище и все теплообменные трубки аппарата. Чем меньше число труб в одном ходе аппарата, тем при заданном расходе теплоносителя выше скорость его движения в трубках аппарата и тем интенсивнее протекает процесс теплоотдачи от стенок трубок аппарата к воде. Одновременно увеличение скорости воды ведет к росту гидравлических сопротивлений (потерь механической энергии потоком воды). Поэтому выбор рациональной скорости движения теплоносителя (воды) в трубном пространстве теплообменника часто осуществляется на основе экономического расчета. В (табл. 1.4 [1]) значение скорости теплоносителя в трубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников рекомендуется выбирать близкой к 1 м/с.
Второй теплоноситель – пар поступает в межтрубное пространство теплообменника, образованное наружной поверхностью теплообменных труб, внутренней поверхностью кожуха и межтрубной поверхностью трубных решеток. Для фиксации теплообменных труб и интенсификации процесса теплообмена при охлаждении пара и его конденсации в межтрубном пространстве устанавливают поперечные перегородки. Перегретый пар, описывая поперечный пучок теплообменных труб, охлаждается до состояния насыщения, а затем конденсируется на наружной поверхности теплообменных труб. Расчет интенсивности передачи теплоты от пара к воде будем вести по зонам: зона сбива перегрева (охлаждение перегретого пара до температуры насыщения); зона конденсации (превращение пара в жидкость – конденсат).
Аппарат крепится в вертикальном положении на специальной раме или в межэтажном перекрытии с помощью лап.
1 Тепловой расчет
Цель теплового расчета – определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбор стандартизированного теплообменника.
Из основного уравнения теплопередачи
(1)
где F - площадь теплопередающей поверхности, м;
Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт;
К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К);
Δtcp - средний температурный напор, К.
1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата
В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном кожухотрубчатом теплообменнике теплотой горячей воды, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле
(2)
где = V·ρ - массовый расход нагреваемой воды, кг/с;
- средняя удельная теплоемкость нагреваемой воды, Дж/(кг·К);
ρ – плотность воды, кг/м3;
tк, tн - конечная и начальная температуры воды, К;
χ = 1,05 – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.
Средняя температура воды:
ºC (3)
Этому значению температуры соответствует:
(табл. XXXIX, [2]) и ;(табл. XXXIX, [2]).
Тогда:
Вт,
с учетом потерь:
.
1.2. Определение расхода пара
Количество теплоты, выделяющееся при конденсации пара кг/с и передаваемое воде (с учетом потерь в окружающую среду)
, (4)
где – скрытая теплота конденсации пара заданного давления (0,25МПа = 2,55 кгс/см2), Дж/кг. (табл. LVII, [2]).
Из уравнения (4)
кг/с.
1.3 Расчет температурного режима теплообменника
Цель расчета - определить среднюю разность температур и средних температур теплоносителей и .
Параметры насыщенного водяного пара определим по заданному давлению Р = 0,25 МПа (2,55 кгс/см2). По (табл. LVII, [2]) этому заданному давлению соответствует температура пара Тн = 126,25 ºС и скрытая теплота конденсации пара r = 2189,5·103 Дж/кг.
Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.
пар
C вода
Т.к. то
(5)
При конденсации пар превращается в жидкость (конденсат) при постоянной температуре ºС.
Тогда средняя температура воды
ºС. (6)
1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей
Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.
Таблица 1 - Теплофизические свойства теплоносителей
1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата.
Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления
Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающеи поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из таблицы 1.3 [1]. Принимаем К = 1200 Вт/(м2·К), тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)
Для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны пара необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубах аппарата 2 1-3 м/с (таблица 1.4 [1]).
Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.
Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения расхода:
, (7)
где - заданный объемный расход воды;
- внутренний диаметр теплообменных труб;
n - число труб в аппарате, шт.;
- скорость движения воды в трубах аппарата.
Из формулы (7)
Такому числу труб в одном ходе n=98,2 шт. и площади поверхности аппарата по ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее близко отвечает шестиходовой теплообменник диаметром 800 мм, с числом труб 384, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности .(табл. 1.8 [1])
Проверим скорость движения воды в трубах аппарата по формуле
(8)
Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор конструкции аппарата закончен.
Так как теплоносители (пар и вода) не являются агрессивными, то для изготовления основных узлов и деталей (ГОСТ 15120-79) выбираем материалы по группе материального исполнения M1: кожух - В СтЗст5 ГОСТ 14637-79; крышки - В СтЗст5 ГОСТ 14637-79; трубы - сталь 10 ГОСТ 8733-87.
1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи
и коэффициента теплопередачи
Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов α и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб рассчитывается по формуле:
, (9)
где - усредненный коэффициент для всего горизонтального пучка труб, зависящий от расположения труб в пучке и от числа труб в каждом вертикальном ряду. Значение , тогда (рис. 4.7 [2]) (расположение труб в аппарате - шахматное, т.е. по вершинам равносторонних треугольников); L = 4,0 м — длина труб теплообменника; шт. - общее число труб в теплообменнике; - теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации; G - массовый расход конденсирующегося пара, G = 4,58 кг/с.
Режим движения воды в трубках аппарата определим по следующей формуле:
> 104 – режим турбулентный. (10)
Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение:
(11)
где - отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.
Отношение принимаем 1, тогда по формуле (11)
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющей воды (табл. XXXI [2]):
а со стороны нагреваемой воды:
Тогда:
Или:
где сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений. Так теплообменная трубка тонкостенная (dвн > dн), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки
(12)
где - коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,
- сумма термических сопротивлений.
По формуле (12)
Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1)
Такой площади поверхности отвечает конструкция выбранного в ориентировочном расчете шестиходового кожухотрубчатого теплообменника диаметром кожуха 800 мм и числом труб шт., с длиной теплообменных труб 4000 мм, который имеет площадь поверхности =121 м2.
1.7 Обозначение теплообменного аппарата
