КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО ПРОЦЕССАМ И АППАРАТАМ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Выполнил студент 211 группы
Морозов Д.В.
Проверил д.т.н., профессор
Лисин П.А.
ОМСК 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
| 1. | Общая часть ……………………………………………. | |
| 2. | Тепловой расчет аппарата…………………………….. | |
| 2.1. | Определение физических параметров продукта………. | |
| 2.2. | Определение средней разности температур …………… | |
| 2.3. | Определение физических параметров конденсата…….. | |
| 2.4. | Определение тепловой нагрузки аппарата…………….. | |
| 2.5. | Определение режима движения продукта……………... | |
| 2.6. | Расчет коэффициента теплоотдачи от пара к стенке трубы…………………………………………………….. | |
| 2.7. | Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к продукту………………………………………………… | |
| 2.8. | Определение коэффициента теплопередачи………….. | |
| 2.9. | Определение поверхности теплопередачи……………. | |
| 3. | Конструктивный расчет аппарата………………….. | |
| 3.1. | Определение площади сечения одного хода ………… | |
| 3.2. | Определение числа труб в одном ходу ……………….. | |
| 3.3. | Определение длины пути продукта …………………… | |
| 3.4. | Определение числа ходов ……………………………… | |
| 3.5. | Определение общего числа труб в аппарате..………… | |
| 3.6. | Разбивка труб в коллекторе ……………………………. | |
| 3.7. | Определение диаметра аппарата ………………………. | |
| 3.8. | Определение расхода пара. …………………………….. | |
| 3.9. | Определение диаметра патрубка для пара ……………. | |
| 3.10. | Определение патрубка для конденсата ………………... | |
| 4. | Расчет теплоизоляции аппарата…………………….. | |
| 4.1. | Определение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности аппарата в окружающую среду ………… | |
| 4.2. | Определение средней разности температур между окружающим воздухом и паром ………………………... | |
| 4.3. | Определение потерь теплоты в окружающую среду … | |
| 4.4. | Определение коэффициента теплопередачи ………….. | |
| 4.5. | Определение толщины теплоизоляционного слоя …… | |
| 4.6. | Определение температуры стенки в точке соприкосновения поверхности аппарата с теплоизоляцией ……….. | |
| 5. | Гидравлический расчет аппарата………..………….. | |
| 5.1. | Определение статистического напора ………………… | |
| 5.2. | Определение скоростного напора …………………….. | |
| 5.3. | Определение путевых потерь ………………………….. | |
| 5.4. | Определение общего напора …………………………… | |
| 5.5. | Подбор насоса …………………………………………. | |
| 6. | Проверочный расчет аппарата…………………….. | |
| Приложения…………………………………………………... | ||
| А.1. | Соотношение единиц системы СИ с внесистемными. | |
| Б.1. | Основные физические свойства воды ………………... | |
| Б.2. | Основные физические свойства молока ……………….. | |
| В.1. | Физические свойства сухого насыщенного пара ……. | |
| Г.1. | Характеристика теплоизоляционных материалов …... | |
| Д.1. | Трубы из нержавеющей стали ………………………... | |
| Е.1. | Коэффициенты местных сопротивлений ………………. | |
| Ж.1. | Центробежные молочные насосы ……………………. | |
| Ж.2. | Насосы для воды и рассола …………………………… | |
| Л.1. | Теплофизические свойства молока и молочных продуктов ….. | |
| Библиографический список……………..………………….. |
1. Общая часть
1.1 Введение
Знания, умения и навыки, приобретенные в процессе выполнения курсового проекта, понадобятся при выполнении отдельных разделов дипломного проекта при эксплуатационных расчетах теплообменных аппаратов, изучения оборудования пищевой промышленности.
Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки, программного обеспечения и чертежей. Записка выполняется на листах бумаги формата А4 (210х297 мм), в соответствии с ЕСКД, чертежи - на ватмане стандартного формата А3. В пояснительной записке прилагаются листинги авторских компьютерных программ. Спецификация конструктивных элементов аппарата выполняется на отдельных листах формата А4 или допускается выполнение на чертеже проекта. Чертежи выполняются в графическом редакторе КОМПАС или AutoCAD/.
Содержание проекта:
1. Тепловой расчет теплообменного аппарата
2. Конструктивный расчет аппарата
3. Теплоизоляционный расчет
4. Гидродинамический расчет
5. Проверочный расчет аппарата и корректирование конструкции
Чертежи проекта:
1. Продольный и поперечный разрезы аппарата;
1.2 Условные обозначения
t - температура, 0С;
r- плотность, кг/м3;
с - теплоёмкость, кДж/ (кг· К);
l- теплопроводность, Вт/(м·К);
m- динамическая вязкость, Па·с;
n- кинематическая вязкость, м2/с;
u- скорость движения среды, м/с;
d- диаметр, м;
Q-тепловая нагрузка аппарата, Вт;
М- массовая производительность аппарата, кг/ч;
V- объемная производительность аппарата, м3/ч;
a- коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2 ·К);
К- коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2 ·К);
F- поверхность теплообмена, м2;
i- энтальпия, кДж/кг;
r- скрытая теплота парообразования, кДж/кг;
f- площадь сечения трубы, м2;
g- ускорение свободного падения, м/с2;
t- время, ч;
h- тепловой КПД аппарата.
Критерии подобия
| Pr - | Прандтля | Nu - | Нуссельта |
| Re - | Рейнольдса | Gr - | Грасгофа |
Индексы
пр - продукт; нар- наружный; к - конечный;
конд - конденсат; вн- внутренний; ср - средний;
нас - насыщенный пар; ф - фактический; тр - труба.
ст - стенка; н - начальный
Проектирование трубчатого аппарата
2.1. Тепловой расчет трубчатого аппарата
Целью теплового расчета трубчатых аппаратов является определение частных коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и поверхности теплообмена.
Проектное заданиедля проектирования трубчатого теплообменного аппарата предназначенного для подогрева молока перед сепарированием:
⮚ Производительность аппарата, – 6 м3/ч
⮚ Начальная температура молока, °С – t н =14
⮚ Конечная температура молока, °С - t к = 85
⮚ Давление пара, ати – 2.0
⮚ Тип аппарата - вертикальный
2.1.1. Определение теплофизических параметров продукта
Для определения теплофизических параметров продукта необходимо определить среднюю температуру.
где: tн – начальная температура продукта, °С;
tк – конечная температура продукта, °С.
По известной средней температуре продукта из приложения Бопределяются его теплофизические константы, которые записываем в таблицу 2.1.
Таблица 2.1. Теплофизические константы молока
| Наименование параметра | Единицы измерения | Условные обозначения | Значения параметра |
| Плотность | кг/м3 | ρпр | 1016,6 |
| Теплоемкость | кДж/(кг·К) | спр | 3,897 |
| Теплопроводность | Вт /(м·К) | λпр | 0,581 |
| Динамическая вязкость | Па·с | μпр | 852,6·10-6 |
| Кинематическая вязкость | м2/с | νпр | 0,84·10-6 |
| Критерий Прандтля | --- | Prпр | 5,50 |
2.1.2. Определение средней разности температур и построение графика теплообмена между паром и продуктом.
По заданному давлению пара Pнас = 2,0 ати из приложения В определяются его теплофизические константы и оформляются в соответствии с таблицей 2.2.
Таблица 2.2. Теплофизические константы насыщенного пара
| Наименование параметра | Единицы измерения | Условные обозначения | Значения параметра |
| Давление пара | ати | Рнас | 2,0 |
| Температура пара | оС | tнас | 119,62 |
| Удельный объем пара | м3/кг | vнас | 0,902 |
| Энтальпия | кДж/кг | iнас | 2705,9 |
| Скрытая теплота парообразования | кДж/кг | rнас | 2203,5 |
По известной температуре пара, начальной и конечной температуре продукта строится график теплообмена, в соответствии с рисунком 2.3.
 |
Рис. 2.3. Температурный график теплообмена между паром и продуктом
Δtб = tнас – tн = 119,62 – 14 = 105,62°С (2.2)
Δtм = tнас – tк = 119,62 – 85 = 34,62°С (2.3)
где: Δtб – большая разность температур, °С;
Δtм – меньшая разность температур, °С;
tнас – температура насыщенного пара,° С;
Δtср – средняя разность температур, °С.
Среднюю разность температур рассчитывают по формуле:
2.1.3. Определение теплофизических констант конденсата
Для определения теплофизических констант конденсата необходимо определить его температуру:
Температура стенки теплообменной трубы равна:
tст = tнас – 0,5*Δtср = 119,62 – 0,5*64,54 = 87,35°С (2.5)
Температура конденсата равна:
где: tст – температура стенки трубы, °С.
По известной температуре конденсата из приложения Б определяются его теплофизические константы и записываются в таблицу 2.3.
Таблица 2.3. Теплофизические константы конденсата
| Наименование параметра | Единицы измерения | Условные обозначения | Значения параметра |
| Температура | оС | tконд | 103,49 |
| Плотность | кг/ м3 | ρконд | 958,3 |
| Теплоемкость | кДж/(кг·К) | сконд | 4,232 |
| Теплопроводность | Вт/(м·К) | λконд | 0,683 |
| Динамическая вязкость | Па·с | μконд | 282,2·10-6 |
| Кинематическая вязкость | м2/с | νконд | 0,295·10-6 |
| Критерий Прандтля | --- | Prконд | 1,75 |
2.1.4. Определение тепловой нагрузки аппарата
Q = M·спр(tк - tн)(2.7)
где: Q – тепловая нагрузка теплообменного аппарата, кДж/час;
М – массовая производительность аппарата, кг/час;
спр – удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг·К);
ρпр – плотность продукта, кг/ м3.
М = Vап · ρпр (2.8)
Vап – объемная производительность аппарата, м3/час;
Q = 6 · 1016.6 ·3,897 · (85-14) = 1687680 кДж/час (2.9)
Производим перерасчет тепловой нагрузки аппарата в системе единиц из кДж/час в Вт.
2.1.5. Определение режима движения продукта по теплообменным трубам
Режим течения жидкости характеризуется безразмерным критерием Рейнольдса. В прямых гладких трубах при Re <2300 наблюдается ламинарный режим, при Re> 10000 – устойчивый турбулентный, при 2300 <Re <10000 – переходный режим движения.
(2.10)
где: ωпр – скорость движения продукта, м/с;
dвн – внутренний диаметр трубы, м;
νпр – кинетическая вязкость продукта, м2/с.
Скорость движения молока принимаем равным 1 м/с, критерий Рейнольдса при этом равен 40769, т.е. 2300 <Re <10000, следовательно, режим движения молока по трубам явно переходный.
Внутренний диаметр трубы определяют из уравнения неразрывности потока.
(2.11)
По рассчитанному внутреннему диаметру труб из приложения Д подбираем стандартный наружный диаметр, толщину стенок трубы и определяем внутренний, стандартный диаметр:
dвн* = dнар – 2∙аст (2.12)
где: аст – толщина стенки трубы, мм.
dнар = 0,046 + 2∙0,002 = 0,05 м = 50 мм.
Принимаем наружный диаметр по ГОСТу равным 0,05 м (50 мм), внутренний фактический диаметр равен:
dвн* = 50 – 2∙1 =48мм = 0,048 м.
Определяется фактическая скорость движения продукта по трубам:
м/c (2.13)
2.1.6. Определение коэффициента теплоотдачи от пара к горизонтальной стенке теплообменных труб аппарата:
(2.14)
где: α 1 – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙К);
λ конд – теплопроводность конденсата, Вт/(м·К);
ρ конд – плотность конденсата, кг/м3;
rнас – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;
g – ускорение свободного падения, м/c2;
dнар – наружный диаметр трубы, м;
t нас - температура насыщенного пара, оС;
tcm – температура стенки трубы, °С;
μ конд – динамическая вязкость конденсата, Па·с.
Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке для вертикальных аппаратов рассчитывается по формуле:
(2.14*)
Где h – высота теплообменной трубы, м.
Для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к продукту применяются критериальные (безразмерные) формулы, в таблице 2.4 приведены эмпирические формулы для определения критерия Нуссельта. Выбор формулы определяется режимом движения жидкости.
Таблица 2.4. Эмпирические формулы определения критерия Нуссельта
| Вид формулы | Автор формулы | Режим течения жидкости |
| М. А. Михеев | Турбулентный, установившийся |
Nu 
| В. Д. Попов | Переходный |
Nu 
| Ф. М. Тарасов | Любой в трубах |
Nu 
0,5 < Pr < 2,5
| А. И. Леонтьев | Стабилизированный, турбулентный |
2.1.7. Расчет коэффициента теплоотдачи (α2) от стенки трубы к продукту осуществляется по формуле Леонтьева (см. табл.2.4):
где: λпр – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м·К);
Re - критерий Рейнольдса;
Prпр – критерий Прандтля;
Nu – критерий Нуссельта.
2.1.8. Определение коэффициента теплопередачи от пара к продукту, через стенку теплообменной трубы:
где: k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К);
ϕ - коэффициент, учитывающий влияние молочной накипи на поверхности трубок, для теплообменных аппаратов принимается в пределах от 0,8 до 0,9.
2.1.9. Определение поверхности теплообмена
Площадь поверхности теплообменного аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи:
Где F - поверхность теплообмена, м2;
Q* - тепловая нагрузка аппарата, Вт.
2.2. Конструктивный расчет трубчатого аппарата
Целью конструктивного расчета трубчатых теплообменных аппаратов является определение габаритных размеров, числа труб, способа размещения труб в трубной решетке и диаметров патрубков для ввода пара и отвода конденсата.
2.2.1. Определение сечения (м2) одного хода по продукту.
(2.18)
2.2.2. Определение числа труб в одном ходу.
где: S1тр – площадь сечения одной трубы, м2
2.2.3. Определение длины пути продукта
где: L - длина пути продукта, м;
dср – средний расчетный диаметр труб, м;
(2.21)
2.2.4. Определение числа ходов
где: lтр – длина одной трубы, принимаем равной 1 м.
2.2.5. Определение общего числа труб в аппарате.
(2.23)
2.2.6. Разбивка труб в коллекторе.
Рекомендуется трубы распределять в трубной решетке по одному из трех способов: по шестиугольнику, квадрату и концентрическим окружностям (рис.2.5).
Рис. 2.5. Схемы расположения труб в трубной решетке
Располагаем трубы внутри аппарата по квадрату 5*5 без 1 трубы по центру (рис.2.6.).
 |
Рис. 2.6. Схема размещения труб по квадрату
2.2.7. Определение диаметра аппарата (без теплоизоляции)
Dапп = (n-1) ∙t + 4∙dнар = (5-1) ∙0,060 + 4∙0,05= 0,44 м = 44 см (2.24)
где: n – число труб по диагонали аппарата;
t – шаг труб (расстояние между центрами труб), м
t = (1,2 … 1,3) ∙dнар = 1,2 ∙0,05 = 0,06 м = 60 мм (2.25)
2.2.8. Определение расхода насыщенного пара
где: D нас – расход насыщенного пара, кг/час;
η - тепловой к.п.д. аппарата (принимается равным 0,9);
сконд – теплоемкость конденсата, кДж/(кг·К);
iнас – удельная энтальпия пара, кДж/кг.
2.2.9. Определение диаметра патрубка, подводящего пар
где: υпара принимаем скорость движения пара 30 м/с.
Vнас – удельный объем пара, м3/кг.
По ГОСТу принимаем диаметр патрубка равным 0,08 м = 80 мм.
2.2.10. Определение диаметра патрубка (м) для конденсата
где: υконд - скорость движения конденсата, принимается равным от 1 до 2 м/с.
По ГОСТу диаметр патрубка для отвода конденсата принимаем равным 0,009 м. = 9 мм.
2.3. Расчет теплоизоляции трубчатого аппарата
Целью выполнения теплоизоляции трубчатого аппарата является расчетное определение толщины теплоизоляционного слоя, обеспечивающего допустимые потери теплоты и условия безопасной работы теплообменного аппарата.
2.3.1. Определение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к окружающей среде.
(2.29)
где: tиз - температура наружной поверхности теплоизоляции, принимается равной 40°С.
2.3.2. Определение средней разности между воздухом и паром.
Для определения средней разности температур строится график теплообмена в соответствии с рисунком 2.7.
Рис. 2.7. Температурный график теплообмена между наружным воздухом и паром, через стенку аппарата.
(2.30)
где: tвозд - температура воздуха в помещении производственного цеха, принимаем равным 20°С.
2.3.3. Определение удельных потерь теплоты в окружающую среду
(2.31)
2.3.4. Определение коэффициента теплопередачи
2.3.5. Определение толщины теплоизоляционного слоя
(2.33)
где: λиз – теплопроводность теплоизоляционного материала.
В качестве теплоизоляции используется минеральная вата с теплопроводностью λиз = 0,08 Вт/(м·К). Сверху минеральную вату покрывают металлическими листами из нержавеющей стали, толщиной 1 мм.
2.3.6. Определение температуры стенки в точке соприкосновения внутренней поверхности аппарата с теплоизоляцией.
Так как температура стенки в точке соприкосновения ниже температуры самовозгорания теплоизоляционного материала, то минеральную вату рекомендуется использовать в качестве теплоизоляции в теплообменном аппарате.
2.4. Гидравлический расчет трубчатого аппарата
Целью гидравлического расчета является определение общих потерь движения продукта в аппарате и подбор центробежного насоса.
2.4.1. Определение статического напора
HCT = h∙үпр = 1∙9972,846 Па (2.35)
где: h – высота столба жидкости (высота от насоса до входного патрубка аппарата), принимаем равным 1 метру.
Удельный вес продукта равен:
(2.36)
2.4.2. Определение скоростного напора
(2.37)
Проверка размерности скоростного напора:
2.4.3. Определение путевых потерь
Нпут = Нтр + Нм = 4949,868 + 26590,2 =31540,068 Па (2.38)
где: Нтр – потери на трение, Па; Нм – местные потери;
λтр – коэффициент гидравлического сопротивления (формула Блазиуса – для турбулентного и переходного режимов движения продукта).
Нм = Нск∙∑Км =511,35∙52 = 26590,2 Па (2.39)
где: Км – коэффициент местного сопротивления. Значения коэффициентов местного сопротивления определяются из приложения и оформляются в соответствии с таблицей 2.5.
Таблица 2.5. Коэффициенты местного сопротивления аппарата
| Вид сопротивления | Количество | Кн | ∑Км |
| Вход в аппарат Выход из аппарата Поворот на 180° | nобщ – 1=20 | 2,5 | 1,0 1,0 |
| Итого ∑Км |
2.4.4. Определение общего напора (т.е. сопротивление движению продукта в трубках аппарата)
Нобщ.пот = Нст + Нск + Нпут (2.40)
Нобщ.пот = 9972,846 +511,35 +31540,068 = 42024,264 Па=42,024 м. вод. ст.
2.4.5. Подбор центробежного насоса
Теоретическая мощность (кВт), потребляемая центробежным насосом, рассчитывается по формуле:
Где NТ – теоретическая мощность насоса, Вт;
Vсек – объемная производительность аппарата, м3/c;
Нобщ. пот – общие потери, Н/м2 (Па);
η – к.п.д. центробежного насоса (принимается 0,65).
Проверка размерности теоретической мощности центробежного насоса
По общему напору (22,98 м.вод.ст. ≈ 23∙104Па) и производительности трубчатого аппарата (8 м3/час), из приложения подбираем насос и записываем его характеристики, в соответствие с таблицей 2.6.
Таблица 2.6. Характеристика центробежного насоса
| Марка насоса | Подача, м3/ч | Напор, м жид. столба | Абсолютное давление на входе, кгс / см2,не более | Частота вращения рабочего колеса, об / мин | Мощность двигателя, кВт |
| Г2-ОПА | 6,3 | 12,5 | 0,5 | 0,8 |
Эффективность использования установленной мощности электродвигателя центробежного насоса составляет приблизительно 27%.
2.5. Проверочный расчет трубчатого аппарата
Целью проверочного расчета теплообменного аппарата является оценка его пригодности по производительности.
2.5.1. Определение фактической поверхности теплообмена
2.5.2. Определение фактической скорости движения продукта
2.5.3. Определение фактического значения коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к продукту
2.5.4. Определение фактического коэффициента теплопередачи
где: ϕ - коэффициент, учитывающий влияние накипи (0,9).
2.5.5. Определение потребной разности температур
°С
Определение меры пригодности спроектированного трубчатого аппарата.
Отношение средней разности температур к потребной, меньше единицы (а <1), следовательно, спроектированный трубчатый аппарат не обеспечивает заданную производительность – 6 м3/час. Для обеспечения производительности следует применять теплоноситель (насыщенный пар) с повышенным давлением.
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное)
Таблица А.1. Соотношение единиц системы СИ
С внесистемными единицами [1]
| Измерения | Размерности, встречающиеся в справочниках | Коэффициент пересчета и размерность по СИ |
| Давление Теплота, работа Тепловой поток Коэффициент теплопередачи, теплоотдачи Теплопроводность Динамическая вязкость Кинематическая вязкость Теплоемкость Плотность Угловая скорость | кгс/см2 (ат) кгс/м2 (мм вод. ст.) кгс/мм2 мм рт. ст. ккал ккал / ч ккал/(м2 0С ч) ккал/(м 0С ч) кгс с/м2 дин*·с/см2 (пуаз) м2/с ккал/(кг·С) кг/м3 об/мин | 9,8·104 Н/м2 (Па) 9,8 Н/м2 (Па) 9,8·106 Н/м2 (Па) 133 Н/м2 (Па) 4,187 кДж 1,163 Вт 1,163 Вт/(м2 ·К) 1,163 вт/(м·К) 9,8 Н·с/м2 (Па·с) 0,1 Н·с/м2 (Па·с) 1,0 Н·с/м2 (Па·с) 4,19 кДж/ (кг·К) 1,0 кг/м3 0,1046 рад/с |
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(справочное)