Q=Gгр(i1п-i1к) =G2c2(t2к-t2п), (1.5)
где
где Gгр – затрата греющего пара, .
Предполагая, что отдача тепла при охлаждении пара к температуре конденсации и при охлаждении конденсата незначительная, уравнение теплового баланса (1.5) можно записать в виде:
Q=Gгрr=G2c2(t2к-t2п), (1.6)
где
r – удельная теплота конденсации, .
По уравнениям (1.5) и (1.6) определяют затраты водяного пара. Если греющий пар является влажным, то теплоту конденсации умножаем на степень сухости водного пара. Если имеем тепловые потери в окружающую среду, то величину тепловой нагрузки необходимо умножить на коэффициент, который учитывает тепловые потери. Энтальпию и удельную теплоту конденсации греющего пара определяют по справочникам [6,10]. Коэффициент теплопередачи К, , для плоской теплообменной поверхности:
, (1.7)
где
a1, a2 – коэффициенты теплоотдачи соответственно для горячего и холодного теплоносителя, .
Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2 к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 град.
dст – толщина теплообменной стенки, (м);
lст – коэффициент теплопроводности материала стенки,
Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Коэффициенты теплоотдачи определяют из критерия Нуссельта, а последний находят по разным критериальным уравнениям в зависимости от конкретных условий теплообмена. В случае развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000):
Nu= (1.8)
Для критериев Nu, Re и Pr за определяющую температуру принимается средняя температура жидкости, а для критерия Prст — температура стенки. По линейным размерам в критериях Nu и Re берется внутренний диаметр трубы или эквивалентный диаметр канала. При ламинарном движении (Re<2300):
Nu= (1.9)
Для воздушного теплоносителя формулы (1.8) и (1.9) соответственно:
Nu=0,018Re0,8; (1.10)
Nu=0,13Re0,33Gr0,1. (1.11)
Для случая движения теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников:
Nu=С(dеRe)0,6Pr0,33, (1.12)
где
С – коэффициент, который учитывает присутствие сегментных перегородок в межтрубном пространстве;
dе – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, (м).
, (1.13)
где
f – плоскость поперечного сечения потока, (м2);
П – периметр сечения потока, (м);
D – внутренний диаметр кожуха, (м);
d – внешний диаметр трубы, (м);
z – количество ходов по трубному пространству;
n – количество труб в одном ходе.
При поперечном обтекании пучка труб (угол атаки 90о), шахматном и коридорном расположении труб соответственно:
Nu= (1.14)
Nu= (1.15)
Среднюю разность температур , (0С), в случае прямотечения и противотечения определяют как среднелогарифмическую разность:
, (1.16)
где
Dtб, Dtм – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника, (0С).
Если <2, то среднелогарифмическую разность можно заменить без заметной погрешности среднеарифметической разностью:
. (1.17)
Для аппаратов с перекрестным и смешанным течением теплоносителей средняя разность температур находится путем умножения значения среднелогарифмического температурного напора достигаемого при противотечейной схеме движения теплоносителей на поправочный коэффициент, который определяется по справочникам [4-6].
1.1 Кожухотрубный теплообменник
Для проведения процесса пастеризации продукта выбирается кожухотрубная конструкция теплообменника.
Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в
пищевых производствах.
Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник
с неподвижными трубными решетками (см. рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса-1, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками-2 с закрепленными в них греющими трубами-3 (см. рис. 2), концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища-5. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки-4. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.
Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.
Греющие трубы в трубных решетках размещают несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников(в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника.
Из-за маленькой скорости движения теплоносителей одноходовые теплообменники характеризуются низкими коэффициентами теплоотдачи. С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Так же секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок. Благодаря всем этим способам достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве.
При проектировании кожухотрубных теплообменников теплоноситель, который наиболее загрязняет поверхность теплообмена, направляют в трубное пространство, которое легче очищать.
1.2 Ообщие сведения о развальцовке труб теплообменника
Наиболее распространенный способ крепления труб в решетке — развальцовка. Трубы вставляют в отверстия решетки с некоторым зазором, а затем обкатывают изнутри специальным инструментом, снабженным роликами (вальцовкой). При этом в стенках трубы создаются остаточные пластические деформации, а в трубной решетке — упругие деформации, благодаря чему материал решетки после развальцовки плотно сжимает концы труб. Однако при этом материал труб подвергается наклепу (металл упрочняется с частичной потерей пластичности), что может привести к растрескиванию труб. С уменьшением начального зазора между трубой и отверстием в решетке наклеп уменьшается, поэтому обычно принимают зазор 0,25 мм. Кроме этого для обеспечения качественной развальцовки и возможности замены труб необходимо, чтобы твердость материала трубной решетки превышала твердость материала труб.
Развальцовочное соединение должно быть прочным и плотным (герметичным). Прочность соединения оценивают усилием вырыва трубы из гнезда, плотность — максимальным давлением среды, при котором соединение герметично.Развальцовка является наиболее распространенным способом получения прочных и герметичных соединений труб с трубными решетками (коллекторами) теплообменных аппаратов.
Для получения надежного соединения трубы с трубной решеткой (коллектором) необходимо выполнить следующее условие:
D' = Dо + + KxS,
где D'- расчетный
внутренний диаметр трубы после развальцовки
Dо- внутренний диаметр трубы до развальцовки
- диаметральный зазор между
трубой и трубной решеткой
(= Dотв - Dн)
S-толщина стенки трубы
К- коэффициент, учитывающий
тип теплообменного аппарата:
К = 0,1 - для конденсаторов, маслоохладителей,
водоподогревателей, испарителей, бойлеров и т.п.
К = 0,2 - для котлов
Для того, чтобы правильно выбрать инструмент для развальцовки труб в трубных решетках, необходимо располагать следующей информацией:
· материал трубной решетки;
· диаметр отверстий трубной решетки “Dотв” (см. рис. 3);
· толщина трубной решетки “H” (см. рис. 3);
· шаг перфорации (расстояние между центрами соседних отверстий) “t” (см. рис. 10);
· наличие в отверстиях трубной решетки уплотнительного рельефа, формируемого шариковым раскатником (см. рис. 4);
· наличие в трубной решетки канавок (см. рис. 5);
