Определение режима движения и числа трубок в одном ходу теплообменника

1. Гидродинамический расчёт

Целью расчёта является определение режима движения и числа трубок в одном ходу теплообменника.

1.1 Определяем режим движения жидкости в нагревательных трубках при выбранной оптимальной технологической скорости из диапазона (0,6…1 м/с).

где — средняя скорость движения продукта, м/с;

— внутренний диаметр нагревательных трубок, м;

— коэффициент кинематический вязкости среды при средней температуре, м2/ с.

В таблице физических свойств продукта (см. Приложение) при методом интерполяции определяем значение.

Объёмный расход продукта, м³/с:

гдес — плотность продукта при средней температуре, кг/м3.

Значение с определяем интерполяцией по табличным данным в интервале температур.

1.2 Рассчитываем число трубок в одном ходу теплообменника (nx) из уравнения постоянства расхода

откуда определяем искомую величину Округляем число трубок в одном ходу =6.

2. Тепловой расчёт

Целью расчёта является определение тепловых нагрузок в теплообменнике, расхода греющего пара и площади поверхности теплопередачи.

теплообменник жидкость движение.

2.1. Необходимый расход тепла (Q, Вт) определяем по уравнению тепловой нагрузки

гдеG — массовая производительность, кг/с;

с — средняя удельная теплоёмкость продукта, Дж /кг· К.

С другой стороны, эта же тепловая нагрузка, определяемая по.

основному уравнению теплопередачи, будет передана греющим паром.

продукту через боковые поверхности всех трубок.

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/м2· К;

F — площадь поверхности теплопередачи, м2;

• ?tср — средняя логарифмическая разность температур, °С.
• 2.3 Определяем среднюю логарифмическую разность температур? tср.

где — большая разность температур пара и продукта,.

— меньшая разность температур пара и продукта.

= t_n — t₁= 112,7 — 4 = 108,7; = t_n — t₂ = 112,7 — 87 = 25,7.

t_n — температура греющего пара, которую определяем по таблице свойств.

водяного насыщенного пара по величине заданного давления.

2.4 Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2· К):

где — коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, Вт/(м2· К);

— толщина стенки трубки, м;

— коэффициент теплопроводности стенки, (= 16…18), Вт/(м· К);

— коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки к.

жидкому продукту, Вт/(м2· К);

2.5 Определяем температуру конденсата:

гдесредняя температура стенки, °С.

2.6. Рассчитываем, Вт/(м2· К)

где — теплопроводность конденсата, Вт/(м· К);

— плотность конденсата, кг/м3;

— динамическая вязкость конденсата, Па· с;

r — теплота парообразования, кДж/кг;

— наружный диаметр трубки, м.

— поправочный коэффициент здесь — теплопроводность конденсата, при температуре стенки, Вт/(м· К);

— динамическая вязкость конденсата, при температуре стенки, Па· с;

2.6 Рассчитываем из критериального уравнения Нуссельта:

где Pr — критерий Прандтля в потоке жидкого продукта;

Рr_ст — критерий Прандтля в пристеночном слое, который характеризуется.

более высокой температурой.

Аналогично определяем сст, мст, лст Зная величину Nu. определяем.

• 2.7 Рассчитываем площадь теплопередачи F из основного уравнения теплопередачи:
• 2.8 Фактическая площадь теплопередачи с учётом коэффициента использования поверхности нагрева ц = 0,8 составит:
• 2.9 Определяем массовый расход греющего пара Gn
• 2.10 Удельный расход греющего пара d_n
• 3. Конструкторский расчёт

Цель расчёта — определение точного общего числа нагревательных трубок и габаритных размеров теплообменника.

• 3.1 Определяем фактическое число ходов z_ф
• 3.2 Общее предварительное число трубок n_o:

Нагревательные трубки в аппарате располагают по сторонам правильных вписанных шестиугольников.

• 3.3 Число вписанных правильных шестиугольников, по сторонам которых располагают нагревательные трубки (а) определяем решением квадратного уравнения вида:
• 3.4 В приложении находим ближайшее стандартное (n_ос) общее число трубок при, а = n_oc = 37.
• 3.5 Количество трубок, попавших под перегородки при диагональном размещении последних n_пер = а = 7
• 3.6 Фактическое общее количество трубок (n_оф)
• 3.7 Рассчитываем внутренний диаметр корпуса теплообменника

где= 1,40…1,65 — коэффициент, учитывающий шаг размещения трубок.

3.8 Определяем толщину стенки корпуса дк:

где [у] = 80 МПа — среднее допустимое напряжение при деформации.

растяжения стенок корпуса.

= 0,75 — коэффициент ослабления корпуса за счёт сварного шва.

• 3.9 Наружный диаметр Dн корпуса аппарата, который включает в себя два барабана
• 3.10 Общая длина каждого барабана пастеризатора с учётом длин

торцовых крышек (L):

3.11 Проверяем конструктивное соотношение по устойчивости для

корпуса (барабана).

• 2,06/0,71 143 = 2,89
• 3.12 Рассчитываем диаметры патрубков в теплообменнике по формулам из уравнения расхода: — для подачи и отвода продукта
• — для подачи греющего пара

где — скорость движения пара, принимается 30 м/с.

— для отвода конденсата где — скорость движения конденсата (принимается равной от 1…2 м/с).

4. Изоляционный расчёт

Цель расчёта — определение оптимальной толщины слоя изоляционного материала.

в — коэффициент температурного расширения воздуха, 1/°С.

?t — средний температурный напор между поверхностью и воздухом.

— кинематический коэффициент вязкости воздуха при tв, м2 / с По таблице физических свойств воздуха в Приложении при t_в находим значение Рr. Вычисляем произведение (Gr· Рr). Если (Gr· Рr) >1· 10⁹, то имеет место турбулентный режим движения воздуха. Если (Gr· Рr) < 1· 10⁹, то имеет место ламинарный режим движения воздуха. В этом случае используют критериальное уравнение Нуссельта вида:

при этом зная величину Nu определяем а_к

откуда коэффициент теплоотдачи конвекцией ():

4.3 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи лучеиспускание (бл) от наружной поверхности пастеризатора

Действительная константа лучеиспускания © при е = 0,86.

Температурный коэффициент (в):

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием б_л

• 4.4 Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи
• 4.5 Средняя разность температур греющего пара и воздуха в цехе.
• 4.6 Удельные потери теплоты в окружающую сред
• 4.7 Коэффициент теплоотдачи от пара к воздуху
• 4.8 Рассчитываем толщину слоя изоляции
• 5. Расчёт теплопотерь
• 5.1 Определяем изолированную суммарную боковую поверхность двухбарабанного пастеризатора
• 5.2 Определяем изолированную суммарную торцевую поверхность двухбарабанного пастеризатора
• 5.3 Определяем потери теплоты с изолированной поверхности Пастеризатора
• 5.4 Коэффициент теплоотдачи от неизолированной поверхности
• 5.5 Определяем потери теплоты с неизолированной поверхности пастеризатора
• 5.6 Суммарные потери теплоты со всей поверхности теплообменника
• 5.7 Относительные потери теплоты составляют

=0,55.

• 1. Теплотехника: задания и методические указания по выполнению контрольной работы / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т.; сост. Е. А. Пшенов — Новосибирск, 2015. — 20 с.
• 2. Круглов, Г. А. Теплотехника: учеб. пособие для студ. вузов по напр. «Агроинженерия». — СПб.: Лань, 2010. — 208 с. [ЭБС Лань].
• 3. Лисицин П. А. Современное технологическое оборудование для тепловой обработки молока и молочных продуктов. — СПб.: ГИОРД, 2009.
• 4. Петухов, Н. А. Краткий курс теплотехники / Новосиб.гос. аграр. ун-т; Инж. ин-т. — Новосибирск, 2007. — 231 с.