Міністерство аграрної політики України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра інженерних технологій харчових виробництв

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни „Процеси та апарати харчових виробництв”

Тема роботи: Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для охолодження продукту бродильної промисловості пиво «Жигулівське».

Керівник роботи Студент Група

Сабадаш С.М Гладкий О.В ХТЛ 1002-1

Суми 2012

Міністерство аграрної політики України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра інженерних технологій харчових виробництв

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

ДО КУРСОВГО ПРОЕКТУ

з дисципліни „Процеси та апарати харчових виробництв”

Тема роботи: Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для охолодження продукту бродильної промисловості пиво «Жигулівське».

Керівник роботи Студент Група

Сабадаш С.М Гладкий О.В ХТЛ 1002-1

Суми 2012

Міністерство аграрної політики України та продовольства україни

Сумський національний аграрний університет

Факультет харчових технологій

Кафедра інженерних технологій харчових виробництв

Завдання на курсовий проект

з дисципліни „Процеси та апарати харчових виробництв”

Студента Гладкого О.В групи ХТЛ 1002-1 курсу 2

1. Тема курсової проекту ___„Розрахунок та проектування кожухотрубчатого теплообмінника для охолодження продукту бродильної промисловості пиво «Жигулівське»________________

2. Основні початкові дані: ___Розрахувати та спроектувати кожухотрубний теплообмінник (G=3,8 кг/с) для пастеризації продукту від початкової температури t₁=70 ⁰С до кінцевої t₂=10 ⁰С. Продукт потрапляє у трубний простір примусово за допомогою насосу та рухається по трубах зі швидкістю w=0,6 м/с, гарячий теплоносій (гріюча водяна пара) потрапляе у між трубний простір з t_п=1 ⁰С (горизонтальною конструкція теплообмінника)._____

3. Перелік обов’язкового графічного матеріалу: _технологічна схема дільниці пастеризації продукту, складальне креслення теплообмінника кожухотрубчатого, усього 1,25 листа формату А1____________________________________________________

Термін виконання та подачі на кафедру до 20.04.2012

Строк захисту 23.04.2012-27.04.2012 року(згідно затвердженого розкладу)

Завдання видав керівник роботи: ______________ ______ _____

П.І.П (підпис) Дата

Завдання прийняв студент: ______________ ______ _____

П.І.П (підпис) Дата

зміст

ВСТУП Теоретичні основи процесу. Вибір конструкції апарату 1.1 Описання кожухотрубного теплообмінника для проведення технологічного процесу 5 1.2 Місце і призначення теплообмінника в технологічній схемі Розрахунково-конструкторська частина Тепловий розрахунок апарату Конструктивний розрахунок апарату Гідравлічний розрахунок апарату Розрахунки на міцність Розрахунки і вибір допоміжного обладнання Новизна прийнятих конструктивних та технологічних рішень ВИСНОВОК СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

с. 5 6 6 9 11 11 15 17 18 21 23 25 26

вступ

Нагрівання, охолодження, пастеризація та стерилізація належать до найпоширеніших процесів у різних галузях харчової промисловості. Залежно від температурних, гідродинамічних та інших умов ведення процесу застосовують різноманітні методи теплової обробки рідин. Для кожного окремого процесу доводиться вибирати найбільш доцільний технологічно і економічно метод нагрівання чи охолодження та відповідні теплоносії.

Теплообміном – називають процес передачі тепла від одного тіла до іншого. Необхідною умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Існує три способи передачі тепла: це теплопровідність, конвекція, випромінювання. Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла. Конвекцією називають процес поширення теплоти в наслідок руху рідини або газу. Випроміненням називають процес передачі теплоти від одного тіла до іншого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами. Найпоширенішими апаратами для цих процесів є теплообмінники.

Тепловикористовуючі апарати, використовують у харчових виробництвах, і називають теплообмінниками. Теплообмінники характеризуються різноманітними конструкціями, які пояснюють різні призначення апаратів та умови проведення процесів

Теоретичні основи процесу. Конструкції апарату

Теплообмінники – це пристрої, в яких здійснюється теплообмін між середовищами, які гріють, і середовищами, які нагріваються. Для того щоб розібратися в різноманітті теплообмінників, їх класифікують за певними ознаками.

У теплообмінних апаратах здійснюються майже всі види теплових процесів, тому залежно від виконуваних функцій їх поділяють на такі основні групи: нагрівачі, випарники і кип’ятильники, холодильники і конденсатори, випарні апарати, пастеризатори, регенератори, деаератори.

Залежно від виду робочих середовищ розрізняють теплообмінники:

• рідинно – рідинні – при теплообміні між двома рідкими середовищами;

• паро рідинні – при теплообміні між парою і рідиною;

• газорідинні – при теплообміні між газом і рідиною.

За способом передачі теплоти розрізняють поверхневі і змішувальні теплообмінники.

У поверхневих теплообмінниках відбувається передача теплоти через поверхню нагрівання. У змішувальних теплообмінниках здійснюється обмін при безпосередньому змішуванні теплоносіїв.

За тепловим режимом розрізняють теплообмінники періодичної дії, в яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес, і безперервної дії з процесом, що встановився в часі.

За конфігурацією поверхні теплообміну розрізняються теплообмінники: трубчасті, пластинчасті, спіральні, оболонкові і з оребреною поверхнею. Трубчасті теплообмінники, в свою чергу поділяють на кожухотрубні, змієвикові, типу «труба в трубі», елементні секційні, зрошувальні і комбіновані.

Окрім наведених основних класифікаційних ознак теплообмінних апаратів, їх можна класифікувати за додатковими ознаками. Так за напрямком руху робочих середовищ розрізняють теплообмінники прямоточні, протитечійні, з перехресною течією і зі змішаною течією; за числом ходів теплоносія розрізняють теплообмінники одноходові, багатоходові; за жорсткістю конструкції – теплообмінники жорсткого, напівжорсткого і не жорсткого типу.

Кожухотрубні теплообмінники

Найбільш широко розповсюджені в харчовій промисловості завдяки своїй компактності, простоті у використанні, виготовлення та надійності в роботі. Вони використовуються для теплообміну між потоками в різноманітних агрегатних станах: пара – рідина, рідина – рідина, газ – газ, газ – рідина.

Кожухотрубні теплообмінники розташовуються вертикально або горизонтально. При різниці температур між теплоносіями понад 50 градусів за рахунок неоднакових температурних подовжень у зварювальних швах приєднання кожухів до трубних решіток, а також у місці приєднання труб у решітках виникають значні напруження, що можуть перевищити межу міцності матеріалу. В результаті з’являться нещільності, порушується герметичність. Для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу апарата застосовують конструкції теплообмінників з лінзовими компенсаторами, з плаваючою голівкою, з U – подібними трубами, а також із сальниковими пристроями. Поверхня кожухотрубних теплообмінників може становити 1200 квадратних метрів при довжині труб від 1 до 9 м; умовний тиск досягає 6.4 МПа.

Розрахунково-конструкторська частина

Тепловий розрахунок апарату

Вихідні дані. Проектуємий кожухотрубчатий теплообмінник призначений для охолодження продукту від початкової (на вході в апарат) температури t₁=70 ⁰С, до кінцевої (на виході з апарату) t₂=10 ⁰С. Продуктивність апарату G=3,8 кг/с. Продукт потрапляє у трубний простір примусово за допомогою насосу та рухається по трубах зі швидкістю w=0,6 м/с. Охолоджуюча вода підводиться у між трубний простір з температурою t_п=1 ⁰С. Теплообмінні труби 302,5 мм (зовнішній діаметр d=30 мм, товщина стінки _ст=2,5 мм), довжина труб у пучку l_Т=2,5 м. Матеріал труб — мідь, товщина шару забруднення на поверхні трубок =0,001 м, абсолютна шорсткість внутрішньої стінки трубки =0,01. Коефіцієнт корисної дії (к.к.д) насосу =0,8.

Середня різниця температур теплоносія та продукту , ⁰С (за формулою (1.16)):

,

Δt_б = t_п – t₁ =70 – 1 = 69^оС; (2.1)

Δt_м = t_п – t₂ = 10 – 1 = 9 ^оС. (2.2)

Так як (Δt_б /Δt_м) = 7,6 > 2, то, відповідно формулі (1.17)

= 30 ^оС.

Середня температура продукту t_ср, ⁰С:

t_ср = t_п – Δt_ср = 30-1 = 29 ^оС. (2.3)

Різниця температур теплоносія та стінки t₁, ⁰С:

Δt₁ = (R₁/R) Δt_ср = 0,6 (29) = 17,4 ^оС. (2.4)

Різниця температур стінки та продукту t₂, ⁰С:

= (1 – 0,6 – 0,06) = 9,8 ^оС. (2.5)

Примітка — Відношення термічного опору з боку теплоносія до загального термічного опору R₁/R=0,6 та відношення термічного опору стінок (за рахунок матеріалу стінок та забруднень) до загального термічного опору R_ст/R=0,06 приймається відповідно /5/.

Температура стінки з боку теплоносія t_ст1, ⁰С:

t_ст1 = t_п – Δt₁ = 17,4-1 = 16,4 ^оС (2.6)

Температура стінки з боку продукту t_ст2, ⁰С:

t_ст2 = t_ср + Δt₂ = 29 + 9,8 = 38,8 ^оС. (2.7)

Температура плівки конденсату теплоносія t_пл, ⁰С:

t_пл = 0,5 (t_п + t_ст1) = 0,5 (1 + 16,4) = 8,7 ^оС. (2.8)

Теплофізичні властивості плівки конденсату (при температурі плівки t_пл=8,7 ⁰С) (відповідно до /2/): динамічний коефіцієнт в’язкості рідини _пл=1307*10^-6 Па с;, питома теплоємність c_пл=4183 Дж/(кгК), коефіцієнт теплопровідності _пл=0,56 Вт/(мК) та густина _пл=998,67 кг/м³. Питома теплота конденсації пару (при температурі t_п=10 ⁰С) r=2493·10³ Дж/кг (відповідно до /2/).

Коефіцієнт тепловіддачі від граючої пари до стінок теплообмінних трубок ₁, Вт/(м²К):

(2.9)

Вт/м²К.

Теплофізичні властивості продукту, який нагрівається (при температурі t_ср=29 ⁰С) (відповідно до /2/): динамічний коефіцієнт в’язкості _пр=0,65710^-3 Пас, об’ємного розширення _пр=0,4610^-3 1/⁰С, питома теплоємність c_пр=3913 Дж/(кгК), коефіцієнт теплопровідності _пр=0,586 Вт/(мК) та густина _пр=1008 кг/м³.

Теплофізичні властивості пристіночного шару продукту (при температурі t_ст2=38,8⁰С) (відповідно до /2/): коефіцієнт динамічної в’язкості _ст=0,40610^-3 Пас, питома теплоємність c_ст=4008 Дж/(кгК), коефіцієнт теплопровідності _ст=0,556 Вт/(мК) та густина _ст=1048 кг/м³.

Критерій Рейнольдса Re для потоку продукту:

= = 23013,6. (2.10)

Критерія Прандтля для потоку продукту Pr та для пристіночного шару продукту Pr_ст:

= 4,3. (2.11)

= 2,9 (2.12)

Критерій Нуссельта Nu (для випадку розвиненого турбулентного руху рідин в трубах і каналах (Re>10000) за формулою (1.8)):

Nu=0,021Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25=0,021 (23013,6)^0,8(4,3.)^0,43(1,103) = 133,8.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки теплообмінних труб до продукту ₂, Вт/(м²К):

=3136 Вт/(м²К) (2.13)

Термічний опір стінки ( без врахування термічного опору забруднень) R_ст, (м²К)/Вт:

R_ст=_ст/_ст=0,0025/384=6,5110^-6 (м²К)/Вт, (2.14)

де	ст – товщина стінки труби, м; ст – коефіцієнт теплопровідності матеріалу теплообмінних труб (відповідно до /2/), Вт/(мК).

Загальний коефіцієнт теплопередачі поміж середовищами К, Вт/(м²К) (за формулою (1.7)):

Вт/(м²К).

Теплове навантаження апарату (кількість тепла, яке передається через поверхню теплообміну від теплоносія до продукту) Q, Вт (за формулою (1.4)):

Q=Gc_пр(t₂-t₁)=3,83913 (70-10)=892 164 Вт.

Потрібна поверхня теплообміну F, м² (за формулою (1.1)):

м².

Витрата теплоносія G_гр, кг/с:

кг/с. (2.15)

де	x – коефіцієнт, який враховує теплові витрати у навколишнє середовище.