Определение средней движущей силы процесса теплообмена

Введение

Теплообменные процессы широко применяются в пищевой и химиче­ской промышленности. Кожухотрубчатые теплообменники являются уни­версальным и наиболее распространенным типом теплообменного обору­дования.

В данной работе рассматривается подогреватель, в котором в качестве греющего теплоносителя используется водяной пар. Целью проектного расчета кожухотрубчатого теплообменника является определение необходимой поверхности теплообмена и размеров аппарата, а также расхода греющего теплоносителя (водяного пара). Расчеты основываются на использовании уравнений теплового баланса и основного уравнения теплопередачи.

Промышленность выпускает стандартное оборудование. В настоящем курсовом проекте разрабатывается нестандартное оборудование с исполь­зованием стандартных узлов и деталей.

Общая часть

1.1 Описание технологической схемы и устройства, принципа действия и назначения аппарата.

Кожухотрубчатый теплообменник состоит из корпуса, или кожуха, и приваренных к нему трубчатых решеток. В трубных решетках закреплен пучок труб. К трубным решеткам крепятся крышки. В теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, а другая - в межтрубном пространстве. В данной курсовой работе рассматривается технологическая схема кожухотрубчатого теплообменника для случая, когда греющим теплоносителем является насыщенный водяной пар, а нагреваемым агентом является – яблочный сок. Теплота от пара к жидкости передается через поверхность стенок труб.

На рисунке изображен шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник. К цилиндрическому кожуху 1 по обоим концам приварены трубные решетки 2. В трубных решетках имеется ряд отверстий, в которые вставлены концы труб 3 и закреплены сваркой или развальцовкой. К трубным решеткам с помощью болтов, гаек и шайб 4, 5, 6 через прокладки 7 крепятся крышки 8 и 9. Для организации в теплообменнике нескольких ходов жидкости, в крышках вварены перегородки 10. Наличие нескольких ходов позволяет повысить скорость движения жидкости по трубам и увеличить интенсивность передачи теплоты за счет увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки труб к жидкости.

Для ввода и вывода теплоносителей приварены штуцера Ш1, Ш2, ШЗ и Ш4. Греющий пар через штуцер ШЗ поступает в межтрубное пространство аппарата. Отдавая тепло нагреваемой жидкости, пар конденсируется. Кон­денсат через штуцер Ш4 и конденсатоотводчик направляется в коллектор конденсата, возвращаемого на котел. Нагреваемая жидкость через штуцер Ш1 поступает в трубы 1-го хода и проходит по ним до правой крышки 9. В крышке 9 жидкость изменяет движение на противоположное и по трубам 2-го хода проходит до левой крышки 8 и так далее по трубам 3, 4, 5 и 6 ходов до выхода из теплообменника через штуцер Ш2.

1.2 Сравнение данной конструкции аппарата с другими современных конструкциями

К достоинствам кожухотрубчатых теплообменников относятся их компактность и небольшой удельный расход металла, так же простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т. е. когда нет необходимости в чистке.

Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке 5, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50 °C и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Расчетная часть

2.1 Определение числа труб и гидродинамического режима течения жидкости в теплообменнике.

В кожухотрубчатых теплообменниках-подогревателях нагреваемая жидкость движется по трубам, а греющий пар подается в межтрубное про­странство. Трубы в трубной решетке размещают, как правило, по вершинам равносторонних треугольников (т.е. по периметрам правильных шес­тиугольников). На рисунке 3 представлено размещение труб в трубной решетке.

Для увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки трубок к нагре­ваемой жидкости за счет увеличения скорости течения жидкости в трубках, кожухотрубчатые теплообменники делают многоходовыми с расположением перегородок по диагоналям правильных шестиугольников. На рисунке 3 изображена схема расположения перегородок в таком шестиходовом кожухотрубчатом теплообменнике.

Число труб в одном ходу теплообменника определяется из уравнения расхода

n₀ = , (1)

гдеG - расход нагреваемой жидкости, кг/с;

w - скорость движения жидкости в трубах, м/с ;задаемся

скоростью течения жидкости в трубах теплообменника

w в пределах 0,6 - 0,9 м/с;

d_e - внутренний диаметр трубы, м;

выбираем трубы диаметром 25x2,5 мм, для которых d_e= 0,02 м;

ρ - плотность жидкости, кг/м ; определяется в зависимости от

средней температуры теплоносителя t_2cp:

t_2cp = , (2)

Общее число труб в теплообменнике n определяется по формуле

п = n₀Z=13,2*6=79,2, (3)

гдеZ- число ходов в теплообменнике;

принимаемZ= 6 (шестиходовой теплообменник).

Задаемся размещением труб в трубной решетке по шестиугольникам и расположением перегородок по диагонали. Из таблицы 1 (приложение А) выбираем теплообменник с ближайшим меньшим или большим общим числом труб n, чем рассчитано по формуле (3). (например, при рассчитанном n = 80 выбираем теплообменник с общим числом труб n = 91).

Число труб, попадающих под перегородки n_п

n_п =3(в-1) + 1=3(11-1)+1=31, (4)

где в - число труб по диагонали шестиугольника (таблица 1). Число реальных труб в теплообменнике n_т

п_Т=п-п_П=91-31=60, (5)

Число труб в одном ходу пересчитывается по формуле

, (6)

Действительная скорость течения жидкости в трубах пересчитывается по уравнению (7), полученному из уравнения (1):

, (7)

Трубы для кожухотрубчатого теплообменника выполняются из обычной углеродистой стали или из коррозионностойкой стали (нержавеющей), например, марки 1Х18Н10Т по ГОСТ 5632. Применение в качестве материала труб нержавеющей стали является более предпочтительным, учитывая ее высокую стойкость к коррозии, меньшее загрязнение и окисление продукта при прохождении аппарата.

Определение средней движущей силы процесса теплообмена

Движущей силой теплопередачи является средняя разность темпера­тур между горячим (греющий пар) и холодным (нагреваемая жидкость) те­плоносителями. В общем случае средняя движущая сила определяется как среднелогарифмическая разность по формуле

, (8)

где =t_s–t_2H - большая разность температур на входе в теплообменник;

t_м=t_s–t_2к-меньшая разность температур навыходе из теплообменника;

t_s - температура греющего пара,°С; определяется по его давлению Р из таблиц водяного пара. На рисунке №приведен графикизменения температур теплоносителей t вдоль поверхности теплообменаF.

Рисунок 4 - График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

При соблюдении условия < 2, движущая сила теплопередачи рассчитывается приближенно как среднеарифметическая разность температур:

t_cp = , (9)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: