РАСЧЕТ трубчатых теплообменных аппаратов

РАСЧЕТ трубчатых теплообменных аппаратов

 

Методические указания

для курсовой работы

по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

«Процессы и аппараты химической технологии»

«Процессы и аппараты биотехнологии»

для студентов специальностей:

260602.65 Пищевая инженерия малых предприятий

110303.65 Механизация переработки сельскохозяйственной продукции

240901.65 Биотехнология

направлений подготовки:

110800.62 Агроинженерия

260200.62 Продукты питания животного происхождения

260100.62 Продукты питания из растительного сырья

240700.62 Биотехнология

 

В.П. Ангелюк

Скрябина Л.Ю., Белова М.В., Моргунова Н.Л.

 

ВВЕДЕНИЕ

Процессы пищевой технологии в большинстве своем значительно сложны и представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных и механических процессов. При выполнении курсовой работы студентом проводится анализ и расчет процесса, определение его оптимальных параметров, а также производится разработка и расчет аппаратуры для проведения процесса.

ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ И ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ работы

Расчетно-пояснительная записка должна быть написана четко и аккуратно на одной стороне листов писчей бумаги стандартного формата. Листы должны быть с рамками и штампом.

Записка должна быть написана грамотно, без сокращений, с ясно выделенными заголовками. В ней должны быть приведены все требуемые расчеты с четко выполненными схемами. Примерный объем пояснительной записки –30…35 печатных страниц.

Формулы, используемые в расчете, даются вначале в алгебраической форме, затем следуют пояснения обозначений и размерностей всех входящих в формулу физических величин. После этого подставляются числовые значения физических величин и производятся вычисления.

В тексте записки должны быть ссылки на литературные источники для всех расчетных формул, физических величин и другие данные, взятые из литературы. Ссылки на литературу следует делать в виде заключенного в квадратные скобки номера источника по прилагаемому в конце записки списку использованной литературы. В пояснительную записку следует обязательно включать технологическую схему, расчетные графики и др. Описание технологической схемы должно быть увязано с ее графическим изображением. Материал в пояснительной записке рекомендуется располагать в следующей последовательности:

1.Титульный лист;

2.задание на курсовую работу (выполняется на бланке задания – приложение 1);

3.Оглавление, содержащие все разделы пояснительной записки с указанием номера страницы;

4.Введение;

5.Состояние вопроса (в виде литературного обзора по теме);

6.Расчеты, отражающие содержание расчетно-пояснительной записки согласно заданию;

7.Заключение, содержащее выводы по выполняемой работе;

8.Список литературы.

После титульного листа приложить чистый лист бумаги для рецензии и замечаний руководителя.

Графическая часть курсовой работы выполняется на листе формата А1.

Число проекций на листе должно давать полное представление о проектируемом объекте. Лист должен быть максимально заполнен. На чертеже общего вида аппарата надо дать разрезы и сечения, чтобы по возможности полно показать конструкцию аппарата, привести техническую характеристику аппарата, содержащую основные данные об аппарата (назначение, диаметр, длина, температура и давление внутри аппарата вес, основной материал) и технические требования. Спецификацию составляют на отдельных листах (формат А4).

 

Критерии теплового подобия

(16)

Критерий Нуссельта ,

где - коэффициент теплоотдачи, ,

l – линейный размер, м,

- коэффициент теплопроводности, .

Характеризует интенсивность теплообмена на границе раздела фаз. Необходим для расчета коэффициента теплоотдачи.

Критерий Фурье , (17)

где а - коэффициент температуропроводности, ,

- время, с.

Характеризует связь между скоростью изменения температурного поля размерами и физическими характеристиками среды в нестационарных процессах.

Критерий Пекле , (18)

где - скорость движения среды, участвующей в теплообмене, м/с,

Характеризует отношение количеств тепла, которое распространяется в потоке жидкости конвекцией и теплопроводностью

Критерий Прандтля (19)

Характеризует теплофизические величины потока жидкости.

Критерий Грасгофа , (20)

где - температурный коэффициент объемного расширения жидкости или газа, К^-1.

Характеризует гидродинамический поток жидкости в условиях естественной конвекции, которая будет происходить под действием разности плотностей холодного и горячего потока.

Критерий Нуссельта является определяемым, а все остальные критерии определяющие.

.

Цель интенсификации тепловых процессов заключается в повышении эффективности работы аппаратов и снижении расхода ими тепловой энергии. Задачи интенсификации предусматривают экономию энергии путем оптимизации технологически процессов, а именно интенсификация теплообмена связана с коэффициентом теплоотдачи и термическим сопротивлением стенки.

Основным способами повышения коэффициента теплоотдачи являются:

1. Правильный выбор теплового аппарата.

2. Обеспечение турбулентного режима движения теплообменных сред в аппарате (применяют турбулизирующие вставки, перемешивающие устройства).

3. Замена свободной конвекции на принудительную.

4. Своевременный и полный отвод конденсата из паровых пространств, а также несконденсированных паров.

5. Оптимизация формы и размеров продукта, подвергаемых тепловой обработке.

6. Снижение термического сопротивления стенок аппарата за счет удаления накипи и пригара продукта.

Классификация аппаратов

В пищевой промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов – выпаривания и ректификации.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам.

В качестве прямых источников тепла в химической технологии используют главным образом топочные газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. В пищевой промышленностичислу распространенных теплоносителей относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители - перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30⁰С) применяют в основном воду и воздух.

По основному назначению ТА делят на собственно теплообменники, где тепловой процесс является основным и реакторы, где тепловой процесс является вспомогательным, а основной процесс может быть либо физико-химический, либо биохимический.

Все теплообменные аппараты по способу передачи тепла разделяются на две большие группы: поверхностные теплообменные аппараты и аппараты смешения. В поверхностных аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. Процесс теплопередачи в смесительных теплообменных аппаратах осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты в свою очередь подразделяют на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в один период нагревается, аккумулируя тепло «горячего» теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая тепло «холодному» теплоносителю.

Рекуперативные теплообменные аппараты классифицируются по следующим признакам:

· По роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния:

паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газо-жидкостные; газо-газовые; паро-газовые.

· По конфигурации поверхности теплообмена:

трубчатые аппараты с прямыми трубками; спиральные; пластинчатые; змеевиковые.

· По компоновке поверхности нагрева:

типа «труба в трубе»; кожухотрубчатые; оросительные аппараты.

Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того классифицируются по назначению (подогреватели, холодильники и т.д.); по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.); по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов и т.д.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

5.1 Определяют коэффициент сопротивления трению (l¢) при движении жидкости по трубам с учетом неизотермического течения.

, (42)

где - число Прандтля для жидкости при температуре стенки;

- число Прандтля для жидкости при средней температуре потока жидкости.

5.2 Рассчитывают коэффициент потерь давления по длине труб ТА:

(43)

где L - длина пути, проходимого жидкостью по трубам, м; - внутренний диаметр трубы, м.

5.3 Рассчитывают коэффициент местного сопротивления на входе в трубную решетку по таблицам в зависимости от соотношения площадей:

(44)

5.4 Рассчитывают коэффициент местного сопротивления на выходе из нагревательных труб:

(45)

 

5.5 Определяют сумму местных сопротивлений:

(46)

где , - соответственно коэффициенты местных сопротивлений штуцера на входе и выходе (0,5; 1)

5.6 Определяют потери давления при движении жидкости через ТА и затраты на создание скоростного напора:

, Па (47)

5.7 Определяют расход мощности на транспортировку жидкости через ТА:

, Вт (48)

 

 

Определение расхода агента

Взаимное направление движения потоков в теплообменнике во всех вариантах задания принять противоточным.

Расход охлаждающей или нагревающей жидкости (кг/с) определить из уравнения теплового баланса: G_рC_р (t_р^K-t_р^H)=G₁C₁ (t_п^H- _п^K)

откуда G_р = , кг/с (1)

где С_р и С_п — теплоемкости продукта и агента, соответственно (см. табл. 2,3), Дж/(кг °К).

Теплоемкости жидкостей принимаем по средней температуре. Недостающие значения определяем интерполяцией.

Средние температуры (С) жидкостей определяем по формулам:

- для продукта t_п^ср = , °С (2)

- для агента t_р^ср = , °С (2¹)

Температурой охлаждающей жидкости t_р^K на выходе из холодильника задаемся! Следует иметь в виду, что с повышением t_р^K уменьшается расход агента; однако уменьшается и средняя разность температур. Температуру t_р^K принимаем выше начальной температуры t_р^H на 9– 16 °С

Температурой нагревающей жидкости t_в^K на выходе из ТА задаемся!

Температуру t_в^K принимаем выше начальной температуры t_п^к на 9– 16 °С

Список использованной литературы

1. Машины и аппараты пищевых производств: в 3 кн. Кн. 1/ред. В.А. Панфилов. - М.: КолосС, 2009. - 610 с.- ISBN 978-5-9532-0509-2

2. Машины и аппараты пищевых производств: в 3 кн. Кн. 3/ред. В.А. Панфилов. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: КолосС, 2009. - 551 с. ISBN 978-5-9532-0754-6

3. Процессы и аппараты пищевых производств: учебник для вузов. В 2-х кн. Кн. 1 / А.Н. Остриков, Ю.В. Красовичкий, А.А. Шевцов; ред. А.Н. Остриков. - СПб.: ГИОРД, 2007. - 704 с. ISBN 978-5-98879-041-9

4. Процессы и аппараты пищевых производств: учебник для вузов. В 2-х кн. Кн. 2 / А.Н. Остриков, Ю.В. Красовичкий, А.А. Шевцов; ред. А.Н. Остриков. - СПб.: ГИОРД, 2007. - 608 с. ISBN 978-5-98879-051-8

5. Процессы и аппараты пищевых производств: учебник / Ю.М. Плаксин, Н.Н. Малахов, В.А. Ларин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2007. - 760 с. ISBN 978-5-9532-0581-8

6.

 

Фланцевые соединения

(размеры, мм)

Фланцевые соединения

Исходные данные для расчета кожухотрубного теплообменного аппарата

1. Производительность - задается преподавателем от 20т/ч и выше.

2. Тип продукта – выбирается студентом.

3. Начальная температура продукта 18⁰С, 19⁰С.

Начальной и конечной температурой для бульонов задаются в зависимости температур плавления жира.

4. Конечная температура продукта – в зависимости от цели использования продукта.

5. Аппарат – вертикальный, горизонтальный.

6. Давление греющего пара выбирают по температуре, которая на 20-25 ⁰С больше, чем температура конечного продукта.

 

 

РАСЧЕТ трубчатых теплообменных аппаратов

 

Методические указания

для курсовой работы

по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

«Процессы и аппараты химической технологии»

«Процессы и аппараты биотехнологии»

для студентов специальностей:

260602.65 Пищевая инженерия малых предприятий

110303.65 Механизация переработки сельскохозяйственной продукции

240901.65 Биотехнология

направлений подготовки:

110800.62 Агроинженерия

260200.62 Продукты питания животного происхождения

260100.62 Продукты питания из растительного сырья

240700.62 Биотехнология

 

В.П. Ангелюк

Скрябина Л.Ю., Белова М.В., Моргунова Н.Л.

 

ВВЕДЕНИЕ

Процессы пищевой технологии в большинстве своем значительно сложны и представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных и механических процессов. При выполнении курсовой работы студентом проводится анализ и расчет процесса, определение его оптимальных параметров, а также производится разработка и расчет аппаратуры для проведения процесса.

ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ И ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ работы

Расчетно-пояснительная записка должна быть написана четко и аккуратно на одной стороне листов писчей бумаги стандартного формата. Листы должны быть с рамками и штампом.

Записка должна быть написана грамотно, без сокращений, с ясно выделенными заголовками. В ней должны быть приведены все требуемые расчеты с четко выполненными схемами. Примерный объем пояснительной записки –30…35 печатных страниц.

Формулы, используемые в расчете, даются вначале в алгебраической форме, затем следуют пояснения обозначений и размерностей всех входящих в формулу физических величин. После этого подставляются числовые значения физических величин и производятся вычисления.

В тексте записки должны быть ссылки на литературные источники для всех расчетных формул, физических величин и другие данные, взятые из литературы. Ссылки на литературу следует делать в виде заключенного в квадратные скобки номера источника по прилагаемому в конце записки списку использованной литературы. В пояснительную записку следует обязательно включать технологическую схему, расчетные графики и др. Описание технологической схемы должно быть увязано с ее графическим изображением. Материал в пояснительной записке рекомендуется располагать в следующей последовательности:

1.Титульный лист;

2.задание на курсовую работу (выполняется на бланке задания – приложение 1);

3.Оглавление, содержащие все разделы пояснительной записки с указанием номера страницы;

4.Введение;

5.Состояние вопроса (в виде литературного обзора по теме);

6.Расчеты, отражающие содержание расчетно-пояснительной записки согласно заданию;

7.Заключение, содержащее выводы по выполняемой работе;

8.Список литературы.