Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора

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

Свойство	Креплёное вино	Вода
Средняя температура,	41	14
Плотность,	994	999
Теплоёмкость,	3730	4190
Вязкость,	1,310-3	1,15510-3
Теплопроводность,	0,418	0,587

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 F_ор:

; (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 Re_тр=10000. Найдём число труб n, которое обеспечит развитое турбулентное движение хладагента.

; (8)

.

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

Таблица № 2

Характеристики нормализованного кожухотрубчатого теплообменника

Параметр	Значение
Поверхность теплопередачи Fт, м2	209
Диаметр кожуха внутренний D, мм	1000
Общее число труб n, шт	666
Длина труб L, м	4,0
Площадь трубного пространства Sтр, м2	0,055
Площадь межтрубного пространства Sмтр, м2	0,106
Число рядов труб по вертикали nр	26
Число ходов z	4

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 К_р

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 t_ст1:

; (22)

.

Определение температуры стенки для холодного потока t_ст2:

; (23)

.

Расчёт критерия Прандтля для горячего и холодного потоков с использованием физико-химических свойств, взятых при температурах стенки t_ст1 и t_ст2.

Таблица № 3

Свойства индивидуальных веществ при температурах стенки t_ст1 и t_ст2

Свойство	Креплёное вино	Вода
Средняя температура,	28	19
Плотность,	1017	998
Теплоёмкость,	3730	4180
Вязкость,	1,810-3	1,010-3
Теплопроводность,	0,410	0,599

Критерий Прандтля для горячего потока (креплёного вина):

; (24)

.

Критерий Прандтля для холодного потока (воды):

; (25)

.

Вычислим значение скобок в формулах (13) и (19).

Для горячего потока: .

Для холодного потока: .

Определение расчётной поверхности теплопередачи и её запаса

Определим расчётную поверхность теплопередачи

; (26)

.

Теперь определим запас поверхности теплопередачи

; (27)

.