Теплообменник

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.

1 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

2.1 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].

2.1.1 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 а₁=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

2.1.2 Секция рассольного охлаждения

Режим движения для рассола – турбулентный. Значит коэффициент местного сопротивления при турбулентном режиме движения

, (2.4)

где коэффициент а₂=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.