Курсовая работа (т): Принцип дії теплообмінників

Принцип дії теплообмінників

ЗМІСТ

Вступ

Розділ 1. Опис проектованого апарата

Розділ 2. Правила техніки безпеки.

Розділ 3. Місце та призначення апарата в технологічній схемі.

Розділ 4.Розрахунки проектованого апарата

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти.

Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим теплоносієм, а речовину з нижчою температурою - холодним.

Апарати, призначені для нагрівання й охолодження, називаються теплообмінниками. За технологічним призначення та конструктивним оформленням такі апарати досить різноманітні.

Теплообмінними апаратами, або теплообмінники - це устаткування, призначене для передачі тепла від одного теплоносія до іншого, для реалізації теплового процесу. Як теплоносії можуть використовуватися рідини,суміші й суспензії, пара, гази.

Процес переносу тепла називається теплообміном, його рушійною силою є різниця температур. Перенос тепла здійснюється трьома різними способами: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Кожний з цих способів має свої закономірності, які складають предмет теорії теплопередачі.

До теплових процесів належать нагрівання, охолодження, конденсація, випаровування. Нагрівання - підвищення температури матеріалів, що переробляються, шляхом підводу до них тепла. Охолодження - зниження температури матеріалів, що переробляються, шляхом відводу від них тепла.

Конденсація - зрідження пари будь-яких речей шляхом відводу від них тепла. Випаровування - перевід у газоподібний стан якої-небудь рідини шляхом підводу до неї тепла.

Основна характеристика будь-якого теплового процесу - кількість тепла, що передається: від цієї величини залежать розміри теплообмінних апаратів. Основним розміром теплообмінного апарата є поверхня теплообміну. Існує три способи передачі теплоти: теплопровідність, конвекція і випромінювання.

Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинами тіла. Конвекцією називають процес поширення теплоти внаслідок руху рідини або газу. Розрізняють два види конвекції: природна конвекція, виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних частинок рідини, тобто під дією внутрішніх сил та вимушену, коли рух рідини виникає під дією зовнішніх сил (насоса, вентилятора).

Теплообмін при природній конвекції.

Рисунок 1. - Поперечне обмивання пучка труб. а) коридорне розташування труб; б) шахове розташування труб.

В даному випадку тепловіддача залежить від форми і розмірів поверхні нагріву, температур поверхні і теплоносія, коефіцієнта об'ємного розширення і інших фізичних властивостей. Швидкість руху рідини не робить впливу на тепловіддачу.

Випромінюванням називається процес передачі теплоти від одного тіла до іншого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами.

Теплопередачею називають процес теплообміну між двома середовищами, розділеними твердою перегородкою. Існуючі теплообмінні апарати можуть бути класифіковані за різними ознаками:

способом передачі тепла;

призначенням;

типом поверхні, що передає тепло;

видом теплоносіїв і їхнім агрегатним станом;

компонуванням поверхні нагрівання.

Основне рівняння теплопередачі. В більшості практичних випадків взаємодія теплоносіїв відбувається через деяку поверхню розділу, яка в загальному випадку може розглядатися як багатошарова тверда стінка. Наприклад, в трубчастих теплообмінниках теплообмін відбувається через стінку труби і два шари забруднень з обох боків стінки.

Цей вид теплообміну називається теплопередачею. Кількість передаваної теплоти визначається основним рівнянням теплопередачі:

= KF∆tcp,

де Q - тепловий потік, тобто кількість теплоти, передавана через поверхню теплообміну в 1 с, Вт;

К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2К);- площа поверхні теплопередачі, м2;

∆tср - середня різниця температур гарячого і холодного теплоносія, К.

Коефіцієнт теплопередачі К показує, яка кількість теплоти переходить в одиницю часу від більш нагрітого до менш нагрітого теплоносія через розділяючу їх стінку площею 1 м2 протягом 1 с, при різниці температур між теплоносіями 1К.

На рис. 2. показана передача теплоти через плоску стінку.

Рисунок 1.2 - Передача теплоти через плоску стінку

За способом передачі тепла всі теплообмінники підрозділяються на поверхневі й контактні. В апаратах контактного типу передача тепла здійснюється через безпосередній контакт теплоносіїв. Теплообмінники даного класу підрозділяються на змішувальні й барботажні. У змішувальних апаратах відбувається перемішування гарячого й холодного теплоносія.

Розділ 1. Опис проектованого апарата

Теплообмінники - це пристрої, які служать для передачі тепла від теплоносія (гарячої речовини), до речовини холодного (нагрівається). В якості теплоносіїв можуть використовуватися газ, пари або рідина. На сьогоднішній день найбільш широке поширення з усіх видів теплообмінників отримали кожухотрубні. Принцип роботи кожухотрубного теплообмінника полягає в тому, що гарячий і холодний теплоносії рухаються по двох різних каналах. Процес теплообміну відбувається між стінками цих каналів.

Види і типи кожухотрубних теплообмінників:

Теплообмінник - досить складний пристрій, і існує безліч його різновидів. Кожухотрубні теплообмінники відносяться до виду рекуперативних. Ділення теплообмінників на види проводиться залежно від напрямку руху теплоносія:

Вони бувають:

- прямоточні (а);

- протиточні (б);

перехресний потік (в);

змішаний потік (г);

Рисунок 1.3 - Варіанти напряму руху теплоносіїв уздовж розділяючої їх стінки. а - прямоток; б - протиток; в - перехресний потік; г - змішаний потік;

Для виготовлення кожухотрубних теплообмінників використовуються леговані і високоміцні сталі. Такі види сталей використовується тому, що дані пристрої, як правило, працюють вкрай агресивному середовищі, яка здатна викликати корозію.

Теплообмінники поділяються на типии:

• температурним кожуховим компенсатором;

Рисунок 1. 4 Температурний кожуховий компенсатор.

• нерухомими трубками;

Рисунок 1. 5 - Кожухотрубний теплообмінник з нерухомими трубками.

• U-подібними трубками;

Рисунок 1. 6 - Кожухотрубний теплообмінник з U- подібними трубками

• плаваючою головкою.

Рисунок 1. 7- Кожухотрубний теплообмінник з плаваючою головкою.

1-кришка розподільної камери; 2 - розподільна камера: 3 - кожух; 4-теплообмінні труби; 5 - перегородка з сегментним вирізом; 6 - штуцер; 7 -кришка плаваючої головки. 8 - кришка кожуха.

За принципом взаємодії теплоносіїв розрізняють системи:

рідина - рідина;

пар - рідина;

газ - рідина;

пар - пар;

пар - газ;

газ - газ;

Переваги кожухотрубних теплообмінників:

Кожухотрубні агрегати останнім часом користуються високим попитом, і більшість споживачів віддають перевагу саме даний тип агрегату. Такий вибір не випадковий - кожухотрубні агрегати мають безліч переваг.

Основною і найбільшою вагомою перевагою є висока стійкість даного типу агрегатів до гідроударів.

Недоліки кожухотрубних агрегатів- великі розміри, висока металоємність.

Розділ 2. Правила техніки безпеки

При монтажі, експлуатації та обслуговуванні пластинчатих теплообмінників слід дотримуватися таких правил: виконувати чинні положення техніки безпеки. Перед початком будь-яких робіт переконатися , що теплообмінники не перебувають під тиском і їх температура нижче 40 ° С. Використовувати рукавиці щоб уникнути пошкоджень і травм при роботі з пластинами з гострими кутами. У всіх випадках забезпечити дотримання місцевих законів і нормативних актів, що стосуються охорони праці та навколишнього середовища.

Підготовка теплообмінників до використання.

Перевірити, що насоси, які подають теплоносії в теплообмінник споряджені регулювальними та запобіжними клапанами. Насос не повинен засмоктувати повітря.

Розділ 3. Місце та призначення апарата в технологічній схемі

теплообмінник компенсатор кожуховий температурний

Теплообмінники призначені для здійснювання теплообміну між рідинами та між рідиною та парою і можуть бути використані для підігріву води в системах опалення, вентиляції, гарячого водопостачання та інших цілях.

При виборі і створенні теплообмінної апаратури необхідно враховувати такі важливі чинники, як теплове навантаження апарату, температурні умови процесу, физико-хімічні параметри робочих середовищ, умови теплообміну, характер гідравлічних опорів, вид матеріалу і його корозійну стійкість, простоту пристрою та компактність, розміщення апарату, взаємний напрямок руху робочих середовищ, можливість очистки поверхні теплообміну від забруднень, витрати металу на одиницю відданої теплоти та інші техніко-економічні показники.

Економічне використовування якісних матеріалів, високий рівень технології виготовлення і повне використовування всіх досягнень теплопередачі дають можливість вибору і створення раціональних теплообмінних апаратів, що задовольняють всім перерахованим вимогам.

Хімічні продукти в тій чи іншій мірі завжди викликають корозію матеріалу апарату, тому для виготовлення їх застосовуються різні метали (залізо, чавун, алюміній) і їх сплави. Найбільше застосування знаходять сталі. Завдяки здатності змінювати свої властивості залежно від складу, можливості термічної і механічної обробки сталі з низьким змістом вуглецю добре штампуються, але погано обробляються різанням. Добавки інших металів - легуючих елементів - покращують якість сталей і додають їм особливі властивості (наприклад, хром покращує механічні властивості, зносостійкість і корозійну стійкість; нікель підвищує міцність, пластичність; кремній збільшує жаростійкість).

Для підвищення кислотостійкості і жароміцності апаратів їх виготовляють з хромонікелевих сталей. Для дуже агресивних середовищ застосовуються високолеговані сталі.

При виробництві теплообмінних апаратів корпус їх виконується із сталевих листів (переважно товщиною більше 4 мм), що виготовляються гарячим плющенням.

На теплообмінниках встановлено таблички на яких вказано:

дані про виготовлювача: назва підприємства, номер телефону, факс, товарний знак;

умовне позначення;

заводський номер;

рік виготовлення;

максимальна температура в каналах,

максимальний робочий тиск в каналах, МПа;

випробовувальний тиск в каналах, МПа;

знак відповідності (при сертифікації);

маса, кг;

розмір "а макс", мм; "а мин", мм.

Теплообмінник опломбований заводською пломбою. Порушення пломби знімає гарантію на працездатність теплообмінника.

Експлуатаційні обмеження. Не дозволяється експлуатація теплообмінників:

при розмірі пакета пластин меншому “а min”, вказаному в табличці і в паспорті;

при експлуатаційних параметрах вищих, ніж вказані в табличці і в паспорті;

з середовищами не передбаченими паспортом;

при додатковому хлоруванні.

Даний апарат використовується на МАС лінії виробництва газованих безалкогольних напоїв.

Вода, що є основним компонентом газованого напою, спочатку фільтрується в пісочному фільтрі 9 грубого очищення. Тонка фільтрація води здійснюється в керамічному свічковому фільтрі 8.

Для тонкого очищення води використовують фільтр-прес 7, також працює під тиском. Освітлена вода насосом 6 подається в катіонітовий фільтр 5 для пом'якшення. Регенерація фільтрів здійснюється за допомогою солерозчиннів 3 шляхом зміни струму води. Пом'якшена вода піддається знезараженню ультрафіолетовими променями в бактерицидної установці 4. Насосом 1 вода подається в холодильник 2, де охолоджується до температури 4 ... 7 ° С і направляється у виробництво.

Цукор у міру потреби очищають від сторонніх домішок, зважують і завантажують в сироповарочний апарат 12. Туди ж наливають воду в кількості 40% до маси цукру, подають виправний брак з цеху і кип'ятять протягом 20 ... 25 хв. Готовий цукровий сироп насосом 13 подають на охолодження в теплообмінник 14. З метою запобігання кристалізації сахарози і додання цукровому сиропу м'якого і приємного смаку його направляють в сироповарочний апарат 15 для інверсії. Інвертний цукровий сироп після охолодження в теплообміннику 17 до 25 ° С насосом 16 перекачується в збірник 22.

Соки і настої зі збірки 19, відфільтровані за необхідності у фільтр-пресі 20, насосом 18 подаються в сталевий емальований збірник 21. Для розчинення лимонної кислоти і есенції, а також для приготування різних добавок на предкупажной майданчику розміщені збірники 24 і 25.

Колер, використовуваний для фарбування напоїв, готують шляхом нагрівання цукру до 180 ... 200 ° С в колеровочной апараті 10, куди наливають воду в кількості 1 ... 3% до маси цукру. З колеровочной апарату 10 колер насосом 11 направляється в збірник 23.

Купажний сироп готується в вертикальних купажних апаратах 26 ... 28, мають мішалки якірного типу. Всі компоненти купажу надходять в апарат самопливом із збірок 21, 23 ... 25, змонтованих на предкупажной майданчику. Готовий купажний сироп фільтрується на фільтрі 29, охолоджується до температури 8 ... 10 ° С і насосом 30 подається в напірний збірник 31, звідки самопливом подається на безперервно діючу установку для змішування купажу з водою і насичення напою діоксидом вуглецю.

Розділ 4. Розрахунки проектованого апарата

Завдання :

Розрахувати вертикальний кожухотрубний теплообмінник для нагрівання m=11,6 кг/с води від tп.в. = 18ºС до tк.в. = 70ºС насиченою водяною парою з тиском 0,11 МПа , температурою (tп = 102ºС)

Вихідні дані: матеріал труб - нержавіюча сталь;=1 м/с

внутрішній діаметр труб - 0,021м;

зовнішній діаметр труб - 0,025 м;

абсолютна шорсткість внутрішньої поверхні труб Δ = 0,01 мм; коефіцієнт корисної дії приводу насоса η= 0,8;

товщина стінки δст = 0,003 м;

коефіцієнт теплопровідності λ ст = 17,5 Вт/(м·К);

ціна 1 м2 поверхні теплообміну апарату СF = 2000 грн / м2;

річна частина амортизаційних відрахувань а = 0,08 %;

кількість годин роботи теплообмінника в році τ = 4000 год;

ціна 1 кВт·год електроенергії на 2013 рік СЕ = 0,4 грн/(кВт·год).

Тепловий розрахунок

Визначення середньої різниці температур між теплоносіями:

а) більша різниця температур: Δtб = tп - tп.в = 102 - 18 = 84ºС

б) менша різниця температур: Δtм = tп - tк.в. = 102 - 70= 32ºС