Подбор и расчет теплообменной установки, предназначенной для использования в производстве крепленого вина

Содержание

Введение

Постановка задачи

Описание технологической схемы

Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора

Технологический расчет

Гидравлический расчет

Элементы механического расчета

Заключение

Список литературы

Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Одним из самых распространенных типов теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубчатых теплообменников являются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недостатками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- легкое регулирование обогрева.

1. Постановка задачи

В курсовой работе необходимо:

1. Выполнить технологический расчет выбранной конструкции аппарата (рассчитать тепловой поток и расход хладоагента);

2. Рассчитать коэффициент теплопередачи; определить площадь поверхности теплообмена;

3. Выполнить гидравлический расчет контактных устройств;

4. Произвести механический расчет элементов аппарата;

2. Описание технологической схемы

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 2.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в холодильнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

Рис. 2.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

1 – емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3 – теплообменник подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости

3. Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора

Кожухотрубчатые теплообменники – наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Конструктивное оформление машин и аппаратов, применяемых в химической и пищевой промышленности, неразрывно связано с их функциональным назначением и полностью определяется характером и технологическими параметрами протекающих в них процессов. При этом конструкция химического и пищевого оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенных технологий, но и обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой, эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных материалов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности пищевой и химической аппаратуры с ее экономичностью и малой материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители.

Четырехходовой горизонтальный теплообменник типа Н состоит из цилиндрического сварного кожуха 3, распределительной камеры 2 и двух крышек 1 и 6. Трубный пучок образован трубами 4, закрепленными в двух трубных решетках 7. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 8 ) и межтрубного пространств (штуцера 9). Перегородки 10 в распределительной камере образуют ходы теплоносителя по трубам. Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены поперечные перегородки 11, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве.

4. Технологический расчет

Теплотехнические свойства креплёного вина (при 600С):

Плотность:

Теплоёмкость:

Теплопроводность:

Вязкость:

Определение средней разности температур и средних температур потоков.

Заданием предусмотрено использование кожухотрубчатых теплообменников. Обычно в качестве холодильников используются многоходовые аппараты по трубному и межтрубному пространству, в которых движение теплоносителей соответствует схеме смешанного тока. Поэтому определяем поправку εΔt для четырехходового теплообменника по трубному пространству и имеющего поперечные перегородки в межтрубном пространстве, предполагая, что именно такой конструкции теплообменник подойдет для охлаждения смеси.

Средняя разность температур противотоков:

; (1) .

Рассчитаем коэффициенты R и P:

; (2)

.

; (3)

.

По графику определили значение поправочного коэффициента

Находим среднюю температуру потоков:

; (4)

.

Поступающее в аппарат сырьё (креплёноё вино) меняет свою температуру на , а вода – на . Следовательно, в соответствии с правилом, средняя температура сырья составит:

;

а средняя температура воды:

.

Определение свойств индивидуальных веществ при средних температурах.

Таблица № 1

Свойства индивидуальных веществ при средних температурах

Определение тепловой нагрузки, расхода хладагента, расчёт ориентировочной поверхности теплообмена, выбор типа и конструкции теплообменника. Так как в начале расчёта коэффициент теплопередачи К не известен, то для нахождения поверхности теплопередачи F принимаем его ориентировочное значение , которое выбирается на основе опыта эксплуатации теплообменного оборудования.

Определим тепловую нагрузку необходимую для охлаждения сырья до необходимой температуры. Так как в заданном нам процессе не происходит изменение агрегатного состояния ни вещества теплоносителя, ни вещества хладоагента, то тепловая нагрузка находится по формуле:

; (5)

Определим расход хладагента (воды):

; (6)

.

Вычислим ориентировочное значение требуемой поверхности теплопередачи Fор:

; (7)

.

Так как нам выгодно снижение температуры креплёного вина, направим горячий поток в межтрубное пространство, а хладагент – в трубное. В этом случае будут потери теплоты в окружающую среду через кожух теплообменника.

Примем размер труб трубного пучка мм. Зададимся величиной критерия Рейнольдса для трубного пространства Reтр=10000. Найдём число труб n, которое обеспечит развитое турбулентное движение хладагента.

; (8)

.

Теперь, ориентируясь на величину поверхности теплопередачи Fор и количеством труб, выбираем нормализованный кожухотрубчатый теплообменник.

Таблица № 2

Характеристики нормализованного кожухотрубчатого теплообменника

Расчёт коэффициентов теплоотдачи для трубного и межтрубного пространств. Расчёт коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства. Определяем объёмный расход креплёного вина:

; (9)

.

Находим скорость потока в межтрубном пространстве:

; (10)

.

Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для межтрубного пространства:

; (11)

.

Вычисляем критерий Прандтля:

; (12)

.

Определяем критерий Нуссельта. Примем , а значение скобки

.

; (13)

.

Теперь находим коэффициент теплоотдачи для межтрубного пространства:

; (14)

.

Расчёт коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.

Определяем объёмный расход воды:

; (15)

.

Находим скорость потока в межтрубном пространстве:

; (16)

.

Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для трубного пространства:

; (17)

.

Вычисляем критерий Прандтля:

; (18)

.

Определяем критерий Нуссельта. Примем , а значение скобки

.

; (19)

.

Теперь находим коэффициент теплоотдачи для трубного пространства:

; (20)

.

Определяем расчётное значение коэффициента теплоотдачи Кр

Теплообменник будет изготовлен из обычной углеродистой стали с коэффициентом теплопроводности λст=46,5 Вт/(м∙К). Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны дистиллята rзаг.1 = 1/5800 Вт/(м2∙К), так и со стороны охлаждающей воды rзаг.2 = 1/1500 Вт/(м2∙К).

Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:

; (21)

.

Определение температур стенок.

Определение температуры стенки для горячего потока tст1:

; (22)

.

Определение температуры стенки для холодного потока tст2:

; (23)