Расчетно-конструкторская часть

2 Расчетно-конструкторская часть.

2.1 Тепловой расчет аппарата.

Исходные данные. Проектируемый кожухотрубный теплообменник предназначен для пастеризации продукта от начальной (на входе в аппарат) температуры t₁=12 ⁰С, до конечной (на выходе из аппарата) t₂=70 ⁰С. Производительность аппарата G=2,8. Продукт попадает в трубное пространство принудительно с помощью насоса и двигается по трубам со скоростью w=2,0 . Греющий пар подводится в меж трубное пространство с температурой t_п=140 ⁰С. Теплообменные трубы Æ30´2,5 мм (внешний диаметр d=30 мм, толщина стенки d_ст=2,5 мм), длина труб в пучке l_Т=2,5 г. Материал труб — медь, толщина слоя загрязнения на поверхности трубок s=0,001 г, абсолютная шероховатость внутренней стенки трубки D=0,01. Коэффициент полезного действия (к.п.д) насоса =0,8.

Средняя разность температур теплоносителя и продукта , ⁰С (по формуле (1.16)):

,

Dt_б=t_п-t₁=140-12=128 ⁰С, (2.1)

Dt_м=t_п-t₂=140-70=70 ⁰С. (2.2)

Так как =1,829<2, то средний температурный напор можно находить с определенной точностью как среднеарифметическую разность (соответственно формуле (1.17)):

⁰С.

Средняя температура продукта t_ср, ⁰С:

t_ср=t_п-Dt_ср=140-99=41 ⁰С. (2.3)

Разность температур теплоносителя и стенки Dt₁, ⁰С:

Dt₁=(R₁/R)Dt_ср=(0,6)×99=59,4 ⁰С (2.4) [1] Разность температур стенки и продукта Dt₂, ⁰С:

⁰С. (2.5)

Температура стенки со стороны теплоносителя Dt_ст1, ⁰С:

t_ст1=t_п-Dt₁=140-59,4=80,6 ⁰С. (2.6)

Температура стенки со стороны продукта Dt_ст2, ⁰С:

t_ст2=t_ср+Dt₂=41+33,66=74,66 ⁰С. (2.7)

Температура пленки конденсата теплоносителя t_пл, ⁰С:

t_пл=0,5(t_п+t_ст1)=0,5(140+80,6) =110,3 ⁰С. (2.8)

Теплофизические свойства пленки конденсата (при температуре пленки t_пл=110,3 ⁰С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости жидкости m_пл=0,228×10^-3 (Па×с), удельная теплоемкость c_пл=4,2×10³ , коэффициент теплопроводности l_пл=0,682  и плотность r_пл=950 . Удельная теплота конденсации пара (при температуре t_п=140 ⁰С) r=2150×10³ (соответственно [6]).

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенкам теплообменных трубок a₁, :

 (2.9)

.

Теплофизические свойства продукта, который нагревается (при температуре t_ср=41 ⁰С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости m_пр=0,719×10^-3 (Па×с), коэффициент объемного расширения b_пр=0,397×10^-3, удельная теплоемкость c_пр=4159 , коэффициент теплопроводности l_пр=0,634  и плотность r_пр=991  .

Теплофизические свойства пристеночного слоя продукта (при температуре t_ст2=74,66 ⁰С) (соответственно [6]): коэффициент динамической вязкости m_ст=0,4×10^-3 (Па×с), удельная теплоемкость c_ст=4225 , коэффициент теплопроводности l_ст=0,669  и плотность r_ст=975 .

Критерий Рейнольдса (Re) для потока продукта:

(2.10)

Критерий Прандтля для потока продукта (Pr) и для пристеночного слоя продукта (Pr_ст):

,  (2.11)

. (2.12)

Критерий Нуссельта (Nu) (для случая развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000) по формуле (1.8)):

Nu=

Nu= =355.

Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменных труб к продукту a₂, :

 (2.13)

Термическое сопротивление стенки ( без учета термического сопротивления загрязнений) R_ст, :

R_ст= ,[2] (2.14)

Общий коэффициент теплопередачи между средами К,  (по формуле (1.7)):

 .

Тепловая нагрузка аппарата (количество тепла, которое передается через поверхность теплообмена от теплоносителя до продукта) Q, (Вт) (по формуле (1.4)):

Q=Gc_пр(t₂-t₁)=2,8×4159(70-12)=675422 Вт.

Необходимая поверхность теплообмена F, (м²) (по формуле (1.1)):

(м²).

Затрата теплоносителя (греющего пара) G_гр, :

. (2.15) [3]