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

 

Коэффициент теплоотдачи  от стенки к кипящему раствору α₂, для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора  находиться по уравнению:

 Вт/(м²·К)

Проверим правильность первого приближения по равенству  удельных тепловых нагрузок:

= α₁ Δ ₁=9061,5 = 18123 Вт/м²;

= α₂ Δ ₂=4227,5 ∙ 4,23= 17882,352 Вт/м².

Как видим, .

Для второго приближения примем Δ ₁ =3,0 ^оС.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при  изменении температуры на 1,0 ^оС, рассчитаем α₁ по соотношению

 Вт/(м²·К).

Получим перепад температур на стенке равным:

 ºС;

Δt₂=11,43-3-7=1,43 ºС;

 Вт/(м²·К).

=8188 ∙ 3= 24564 Вт/м²;          

=5073,7 ∙ 1,43= 7255,4 Вт/м².

  .

Для расчета в третьем  приближении строим графическую  зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем ∆t = 1,86 град.

 

 

 

 Вт/(м²·К);

град;

Δt₂=11,43-1,86-4,93=4,64град;

 Вт/(м²·К);

=9227,4∙ 1,86=17262,964 Вт/м²;         

 =4091,7∙4,64=18985,5 Вт/м².

Как видим, .

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 %, расчет коэффициентов α₁ и α₂ на этом заканчивают. Находим К₁, Вт/(м²·К).

К₁= 1/(1/9227,4+2,87

+1/4091,7)=1563 .

Далее рассчитаем коэффициент  теплопередачи для второго корпуса К₂ .

  ^;

 ^°С;

Δt₂=8,876-4,1-9= -4,2 ^оС;

^;

= 7637∙ 4,1= 31311,7 Вт/м²;           

=6955,87∙4,2= 29214,7 Вт/м².

Как видим, . Определим К₂:

 

.  

 

Рассчитаем теперь коэффициент  теплопередачи для третьего корпуса  К₃.

; ^°С;

Δt₂ = 60,804-16,0-22,56=22,244 ^оС;

;

=4914∙16= 78624 Вт/м²;          

= 3826,18∙22,2= 84941,196 Вт/м².

Как видим, Найдем К₃:

  .

2.1.6 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

Подставив численные  значения, получим:

 град;

град;

град;

Проверим общую полезную разность температур установки:

∑Δt_п= Δt_П1+ Δt_П2+ Δt_П3=26,86+22,65+31,6=81,11 град.

Теперь рассчитываем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

м²;

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Δt_П, представлено ниже в таблице 5.

Таблица 5. Параметры приближенных и рассчитанных значений корпусов выпарной установки.

	Корпус
	1	2	3
Распределенные в 1-м  приближении значения ΔtП, град.	26,86	22,65	31,6
Предварительно рассчитанные значения ΔtП,град.	11,43	8,876	60,804

 

 

Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1 - м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условий равенства поверхностей теплообмена аппаратов.

2.1.7 Уточненный расчет поверхности теплообмена

В связи с тем, что  существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м  и 2-м корпусах (где суммарные температурные  потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения Δ', Δ" и Δ"' для каждого корпуса, как в 1-м приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены в таб. 6.

 

Таблица 6. Параметры растворов и паров по корпусам

Параметры	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде wi ,кг/с	0,31	0,34	0,37
Концентрация растворов xi, %	12,9	18,8	37,6
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, оС	178,145	-	-
Полезная разность температур , оС	26,86	22,65	31,6
Температура кипения  раствора = tГ-Δtп, оС	151,285	138,95	104,6
Температура вторичного пара tвпi=tк-( ), оС	147,17	123,48	75,2
Давление вторичного пара Рвп, МПа	0,46	0,2334	0,04
Температура греющего пара tг=tвп- , оС	-	146,17	122,48

 

Рассчитаем тепловые нагрузки:

 

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам : К₁ = 1611 ; К₂ = 1832,8 ; К₃ = 1284 .

Распределение полезной разности температур:

 

.

Проверка суммарной  полезной разности температур:

∑ Δt_п=25,88+22,366+32,864=81,11 ^оС.

Сравнение полезных разностей  температур Δt_п, полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено в табл. 7.

 

 

Таблица 7. Параметры полезных разностей температур во 2-м и 1-м приближении

Параметры	Корпус
	1	2	3
Δti во 2-м приближении, оС	25,88	22,366	32,864
Δti в 1-м приближении, оС	26,86	22,65	31,6

 

Различия между полезными  разностями температур по корпусам в 1-м  и 2-м приближениях не превышают 5 %.

Поверхность теплопередачи  выпарных аппаратов:

;

;

.

По ГОСТ 11987—81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность  теплообмена Fн Диаметр труб d Высота труб Н Диаметр греющей камеры dк Диаметр сепаратора dс Диаметр циркуляционной трубы dц Общая высота аппарата На Масса аппарата Ма

25 м2 38 2 мм 4000 мм 600 мм 1000 мм 300 мм 12500 мм 3000 кг

 

2.2Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции δ_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:

α_в ( t_ст2- t_в)=( λ_и/δ_и)( t_ст1- t_ст2 ).

где

α_в = 9,3+0,058 t_ст2 — коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²∙К);

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха): для аппаратов, работающих в закрытом помещении, t_ст2 выбирают в интервале 35—45 °С, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время, — в интервале 0-10 °С;

t_ст1 — температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t_п1, t_в - температура окружающей среды (воздуха), °С;

λ_и - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м∙К).

Рассчитаем толщину  тепловой изоляции для 1-го корпуса.

α_в=9,3+0,058

=11,6 Вт/(м²∙К)

В качестве материала  для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности λ_и =0,09 Вт/(м∙К).

Тогда получим:

Вывод: принимаем толщину тепловой изоляции 0,053 м и для других корпусов.

2.3 Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума  в выпарных установках обычно применяют  конденсаторы смешения с барометрической  трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор  при температуре  окружающей среды (около 20 ^оС). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

2.3.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей  воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора :

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3—5 ^оС. Поэтому конечную температуру воды t₂ на выходе из конденсатора примем на 3 ^оС ниже температуры конденсации паров:

t_к= t_б.к -3,0=45-3,0=42 °С.

2.3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_б.к определяют из уравнения расхода, скорость паров принимается 20 м/с:

м.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров составляет v = 15—25 м/с.

По нормалям НИИХИММАШа подбираем конденсатор диаметром, равным по расчетному параметру или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром d_б.к =600 мм.

 

2.3.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической  трубы d_б.т равен 150 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

м/с.

Высота барометрической  трубы :

        

          Вакуум в барометрическом конденсаторе, находиться из выражения:

Па.

Сумма коэффициентов  местных сопротивлений

∑ξ= ξ_вх+ ξ_вых=0,5+1,0=1,5.

где 0,5 — запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м;

ξ_вх ,ξ_вых — коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения λ  в барометрической трубе зависит  от режима течения жидкости. Определим  режим течения воды в барометрической трубе:

где - плотность воды, кг/м³; - коэффициент динамической вязкости, . Их значения принимаются при средней температуре воды.

Для гладких труб при Re =157500 коэффициент трения λ= 0,033. Подставив в уравнение указанные значения, получим:

 

 

2.3.4 Расчет производительности вакуум – насоса

Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора, уравнение :

кг/c.

где 2,5∙10^-5 — количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 — количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

Температуру воздуха  рассчитывают по уравнению:

t _возд =t_н+4+0,1(t_к- t_н)=20+4+0,1(42-20)=26,2 ^оС.

Парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе :

Р_возд=Р_бк–Р_п=0,1∙9,8∙10⁴ – 0,039∙9,8∙10⁴= 0,6∙ 10⁴ Па.

Объемная производительность вакуум-насоса в соответствии с уравнением будет равна:

V_возд =R(273 + t _возд ) G_возд / M_возд P_возд =

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк, подбираем вакуум-насос типа ВВН-6 мощностью на валу N= 12,5 кВт.

2.4 Подбор подогревателя  исходной смеси

Выбираем греющий пар  с давлением и температурой:

Р_г1= 1 МПа;

t_г1 = 178,145 ^оС;

t_н = 20 ^оС;

t_к = 166,715 ^оС.

Количество тепла отдаваемого паром раствору:

Q_п = G_н ∙ c_p(t_к - t_н) = 1,39 ∙ 3572 (166,715 – 20) = 728451,7122 Вт.

Средняя разность температур:

∆t_Б = t_г1 - t_н = 178,145 – 20 = 158,145 град;

∆t_м = t_г1 – t_к = 178,145 – 166,715 = 11,43 град;

∆t_ср = ∆t_Б - ∆t_м/ln(∆t_Б - ∆t_м) = 158,145 – 11,43/ln (158,145 – 11,43) = =146,715/5 = 29,343 град.

Поверхность теплообмена

Выбираем коэффициент  теплоотдачи К = 1500 Вт/м^{2 ∙} К.