Расчет и проектирование аппарата выпарного с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

2.1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

 МПа

В первом приближении  общий перепад давлений распределяются между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:

Р_г1 =1 МПа;

 МПа;                                 

 МПа.                            

Давление пара в барометрическом  конденсаторе:

 МПа.                         

Оно соответствует заданному значению р_6к.

По давлениям паров в барометрической камере и корпусах находим их температуры и энтальпии, полученные данные введем в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры в  корпусах и барометрической камере

P, МПа	t,оС	I, кДж/кг
Рг1=1	tг1=178,145	I1=2783,24
Рг2=0,67	t г2=161,6	I2 =2768,57
Рг3=0,34	tг3=136,254	I3=2734,7
Pбк=0,01	tбк=45	Iбк=2580,25

 

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения  по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического  давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь ∑Δ от температурной ( ), гидростатической (Δ") и гидродинамической (Δ"') депрессий (∑Δ= +Δ"+Δ"').

Гидродинамическая депрессия обусловлена  потерей давления пара на преодоление  гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Так в расчетах принимают Δ"'=1,0-1,5 ⁰С на корпус. Примем для каждого Δ"'=1 °С. Тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

   ⁰С;                                                

 ⁰С;                                           

 ⁰С;                                                           

Сумма гидродинамических  депрессий:

 =1+1+1=3 °С.                                                         

По температурам вторичных  паров определим их давления. Они  равны 

соответственно: Р_вп1=0,6868 МПа; Р_вп2 = 0,346 МПа; Р_вп3 = 0,010 МПа.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:

где Н — высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ- плотность кипящего раствора, кг/м³; ε — паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_оp. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = =20 000 - 50 000 Вт/м². Примем q= 40000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

м².

где r₁ — теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11987—81, трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 2, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре d_н = 38 мм и толщине стенки δ_ст= 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н= 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0,4—0,6. Примем ε = 0,5. Плотность водных растворов CaCl₂ при температуре 15°С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

ρ₁ = 1111,26 кг/м³; ρ₂= 1166,72 кг/м³; ρ₃=1363,5 кг/м³.                         

Давления в среднем  слое кипятильных труб корпусов (в  Па) равны:

Па    

Па    

 Па     

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя. Внесем полученную температуру, давление и удельную теплоту парообразования корпусов в таблицу 2, по которым в дальнейшем будут рассчитаны следующие параметры.

    Таблица 2. Давление, температура и удельная теплота парообразования

Р, МПа	t,оС	r, кДж/кг
Р1ср=0,6977	t1ср=163,2	r1вп =2078,28
Р2ср=0,46045	t2ср=147,164	r2вп=2128,52
Р3ср=0,02338	t3ср=62,4	r3вп=2351,4

Находим гидростатическую депрессию по корпусам:

=t_1ср- t_вп1=163,2 - 162,6 = 0,6 ^оС;                                                         

=t_2ср- t_вп2=147,164 – 137,254 = 9,91 ^оС;                                              

=t_3ср- t_вп3=62,4 – 46 = 16,4 ^оС.                                                             

Сумма гидростатических депрессий:

∑ = + + =0,6 + 9,91 + 16,4 = 26,91 ^оС.                                

Температурную депрессию  определим по уравнению:

= 1,62 .

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; _атм – температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение по корпусам:

 ^оС                                     ^оС                                   

 ^оС                                   

Сумма температурных депрессий:

 ^оС                                         

Температуры кипения  растворов в корпусах равны: ^оС                       

 ^оС                      ^оС                                     

2.1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам равны:

 ^оС

 ^оС

  ^оС

Тогда общая полезная разность температур:

∑Δt_п =11,43+8,876+60,804 = 81,11 ^оС.                            

Проверим общую полезную разность температур: 178,145 - 45 – (22,125+26,91 +3) = =133,145 – 52,035 = 81,11 ^оС.

2.1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого  корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем  совместного решения уравнений  тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

;   

                     

             

.

где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3% потерь теплоты в окружающую среду; с₁, с₂, с_н — теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, ; Q_1конц, Q_2конц, Q_3конц — теплоты концентрирования по корпусам. кВт; t_н—температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; t_н = t_вп1- _н= 162,6 + 1,0 = 163,6°С (где _н— температурная депрессия для исходного раствора).

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:

^;

где - производительность аппаратов по сухому CaCl₂, кг/с; - разность интегральных теплоты растворения при концентрациях х₂ и х₃, кДж/кг.

Тогда:

 ^кВт.

Сравним с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса          Поскольку составляет значительно меньше 3 % от , в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной .

Получим систему уравнений:

  .

Решение этой системы  уравнений дает следующие результаты:

D=0,395 кг/с;

w₁=0,368 кг/с;     Q₁=800,8 кВт;

w₂=0,373 кг/с;      Q₂=767,49 кВт;

w₃=0,389 кг/с;     Q₃=806,3141 кВт.

Полученные результаты сведем в таблицу 3.

Таблица 3. Параметры каждого корпуса выпарной установки

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	0,368	0,373	0,389
Концентрация растворов x, %	12,9	18,8	37,6
Давление греющих паров  Рг, МПа	1	0,67	0,34
Температура  греющих  паров tг, оС	178,145	161,6	136,254
Температурные потери ΣΔ, оС	5,115	16,47	30,45
Температура кипения  раствора tк, оС	166,715	152,724	75,45
Полезная разность температур Δ tп, оС	11,43	8,876	60,804

 

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (W₁=0,31 кг/с; W₂=0,34 кг/с; W₃=0,37 кг/с) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный  материал, стойкий в среде кипящего раствора CaCl₂ в интервале изменения концентраций от 10 до 37 % . В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст= 25,1.Вт/м∙К.

2.1.5 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи  для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

 

^.

Примем, что суммарное  термическое сопротивление равно  термическому coпротивлению стенки δ_ст/λ_ст и накипи δ_н/λ_н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

( ).

Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующегося пара к стенке α₁ находится по уравнению:

где r₁ —теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; ρ_ж1, λ_ж1, μ_ж1 —соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/(м·К)), вязкость (Па с) конденсата при средней температуре пленки t_пл=t_г1-Δt₁/2; Δt₁— разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет α₁, ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем разность температур конденсации пара и стенки Δ ₁ =2,0 ^оС. Тогда:

Для установившегося  процесса передачи тепла справедливо  уравнение:

q = α₁∆t₁ = ∆t_ст/(δ/λ) = α₂∆t_2,

Из уравнения  находится  перепад температур на стенке:

Δt_ст= α₁ Δ ∑δ/λ=9061,5∙2∙2,87∙10^-4=5,2 °С.

И разность температур конденсации пара и стенки со стороны раствора и его температурой кипения Δ :

Δ = Δt_г1- Δt_ст - Δ =11,43-5,2-2=4,23 ^оС.

Физические свойства кипящих растворов CaCl₂ в каждом из корпусе и их пары приведены в табл. 4.

Таблица 4. Параметры каждого корпуса выпарного аппарата

Параметр	Корпус
	1	2	3
Теплопроводность раствора λ, Вт/	0,54	0,52	0,43
Плотность раствора ρ, кг/м3	1110,76	1166,22	1368,316
Теплоемкость раствора с, Дж/	3572	3428	3143
Вязкость раствора μ,	0,15	0,28	0,58
Поверхностное натяжение  σ, Н/м	0,074	0,078	0,082
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2080,24	2158	2388,6
Плотность пара ρп, кг/м3	3,46	1,83	0,069