Ргр.п =2,2256 ат
3.1.3 Тепловой баланс выпарного аппарата.
Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:
Q= Qнагр + Qисп + Qпот (8)
где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;
Qнагр – расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;
Qисп – расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;
Qпот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;
3.1.3.1. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду
Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Qпот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Qнагр + Qисп )
/ 2, с 247 /. Следовательно:
Q= 1.05 (Qнагр + Qисп )
Температуру исходного раствора tнач , поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 2.5°С меньше tкон :
tнач = tкон -2.5
tнач =89.168-2.5=86.668 °С
3.1.3.2 Расход теплоты на нагрев:
Qнагр = Gнач снач (tкон -tнач ) (10)
где Gнач – производительность по разбавленному раствору
снач – удельная теплоёмкость раствора при tнач и начальной концентрации Хнач , Дж/(кг К) (Приложение 2, п.3)
снач =4.141 103 Дж/(кг К)
Qнагр = 4.5 4.141 103 (89.168-86.668)=4.658 104 Вт
3.1.3.3 Расход теплоты на испарение:
Qисп =W×(i”вт.п - св ×tкон ) (11)
где iвт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t1 , из таблицы / 2, табл.LVI/, кДж/кг;
св – удельная теплоёмкость воды при tкон , (Приложение 2, п.3) Дж/(кг К)
iвт.п =2656 кДж/кг,
св =4213 Дж/(кг К)
Qисп =3.336×(2656×103 - 4213×89.168)=7.611×106 Вт
3.1.4. Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.
Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:
Q=K F Dtполезн. (12)
где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м2 К)
F – площадь поверхности теплообмена, м2 ;
Коэффициент теплопередачи К найдем из выражения:
(13)
где aкип – коэффициент теплоотдачи кипящего раствора, Вт/(м2 К)
aконд - коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара, Вт/(м2 К)
∑rст – сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м2 К)/Вт
Для расчётов коэффициент теплоотдачи aконд , aкип воспользуемся методом итераций.
Примем температуру наружной стенки трубы tст1 меньшей чем tконд.гр.п. и равной:
tст1 =121.21°С
При конденсации греющего пара на пучке вертикальных труб, выражение для коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид / 2, формула 4.52(а) /:
(14)
где Н – высота труб, м
Dt – разность температур конденсаций греющего пара tконд.гр.п. и температуры стенки t1 , с;
Значение функции Аt найдём при температуре tконд.гр.п. / 2, табл. 4.6 /
At=7278
Dt = tконд.гр.п.. - tст1 (15)
Dt =124.168-121.21=2.958°С
Н=Нтр =6 м
Вт/(м2
К)
Количество теплоты q1 , передаваемое от конденсирующегося пара к стеке, найдём по формуле:
q1 =aконд (tконд.гр.п.. - tст1 ) (16)
q1 =7233 2.958=2.14 104 Вт
Так как процесс теплопередачи является установившемся, то количество теплоты q1 равно количеству теплоты qст , которое передаётся от наружной стенки трубы с температурой tст1 к внутренней, с температурой tст2 .
(17)
Суммарное термическое сопротивление стенки найдём по формуле:
(18)
где d - толщина стенки трубы, м;
lст - коэффициент теплопроводности трубы, Вт/(м К)
rзагр1 , rзагр2 – термическое сопротивление слоев загрязнения с наружной и внутренней сторон стенки соответственно, м2 К/Вт
Определим значения величин rзагр1 , rзагр2 / 2, табл. ХХХI /
rзагр1 =1/5800=1.724 10-4 м2 К/Вт
rзагр2 =1/1860=5.376 10-4 м2 К/Вт
Коэффициент теплопроводности lст для стали равен:
lст =46.5 Вт/(м К)
Толщину стенки трубы примем:
d=0.002 м
м2
К/Вт
Температуру tст2 найдём из формулы (17)
tст2 = tст1 -q1 ∑rст
tст2 =121,21-2.14 104 .289 10-4 =103.475°С
Коэффициент теплоотдачи кипящего раствора / 2, формула 4.62 /
(19)
где b – безразмерная функция;
n - кинематическая вязкость раствора, м2 /с
s - поверхностное натяжение раствора Н/м
DТкип – разность температур tст2 и температуры кипения раствора
tкип , К;
Значение безразмерной функции b / 2,формула 4.62 а /:
(20)
где rп – плотность пара, кг/м3 ;
Плотность раствора rр рассчитываем при температуре кипения tкип и конечной концентрации хкон (Приложение 2, п.1):
rр =1.013 103 кг/м3
Плотность пара rп найдём при температуре кипения tкип / 2, табл. LVI /
rп =0.4147 кг/м3
Кинематическая вязкость раствора n:
n=mр /rр (21)
где mр – динамическая вязкость раствора, Па с
Динамическая вязкость раствора при температуре tкип (Приложение 2, п. 2):
mр =3.87 10-4 Па с
n=3.87 10-4 /1.013 103 =3.82 10-7 м2 /с
Поверхностное натяжение s при температуре tкип определяем для воды, т.к. концентрация MgCl2 достаточно мала /2; табл XXXIX/
s=0,05995 Н/м
Коэффициент теплопроводности l для раствора при tкип и хкон (Приложение 2, п.4), Вт/(м К):
l=0.662 Вт/(м2. К)
Вт/м2
К
Количество теплоты q2 , передаваемое от внутренней стенки к раствору:
q2 =aкип (tст2 - tкип ) (22)
q2 =2.238 103 (103.475-94.168)=2.083 104 Вт
Определим значение выражения:
 |
и если Е< 0.05 то расчёт коэффициентов теплоотдачи выполнен верно.
Е=(2.14 104 -2.083 104 )/ 2.083 104 =0.027
Тогда:
Вт/(м2
К)
(23)
м2
3.1.4 Выбор выпарного аппарата по каталогу.
Произведём выбор аппарата по каталогу / 3, приложение 4.2 /. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.
Fв.п. =1.2 F
Fв.п. =1.2 358.774=430.493 м2
где Fв.п. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м2 ;
Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляциейи соосной греющей камерой. Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 450 м2 ;
Таблица 1. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 11987-81)
| F, м2 | D, мм не менее |
D1 , мм не более |
D2 , мм не более |
Н, мм Не более |
М, кг не более |
| l= 6000 мм | |||||
| 450 | 1600 | 4000 | 1000 | 18000 | 31500 |
F – номинальная поверхность теплообмена;
D – диаметр греющей камеры;
D1 – диаметр сепаратора;
D2 – диаметр циркуляционной трубы;
Н – высота аппарата;
М – масса аппарата;
3.2. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат.
 |
3.2.1. Определение средних температур теплоносителей.
Рис. 1 Температурная схема
где t’нач – начальная температура исходного раствора (по заданию)
Dtбол ,Dtмен – большая и меньшая разность температур соответственно, °С; tнач – температура исходного раствора после подогревателя, °С ;
Dtб = tконд.гр.п – t’нач (24)
Dtб = 124,168 – 35 = 89.168 °С
Dtм = tконд.гр.п – tнач (25)
Dtм = 124,168 – 86.668 = 37.5 °С
Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:
(26)
°С
Средняя температура раствора:
tср.р = tконд.гр.п – Dtср (27)
tср.р =124.168 –59.65=64.518°С
3.2.2. Тепловой баланс подогревателя.
Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t’нач до температуры tнач найдем по формуле (10), приняв значение теплоёмкости раствора при температуре и концентрации Хнач ( Приложение 2, п.3 )
Q=4.5 4.141 103 (86.668-35)=9.628 105 Вт
Расход греющего пара Gгр.п. найдём по формуле:
(28)
где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;
c - степень сухости пара;
c=0.95
Удельная теплота парообразования при температуре tконд.гр.п. / 2, табл. LVI /:
r=2205x103 Дж/кг
кг/с
3.2.3. Ориентировочный расчет подогревателя.
Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от конденсирующегося пара к жидкости / 2, табл. 4.8 /:
Кор =850 Вт/(м2 К)
Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);
м2
Для обеспечения интенсивного теплообмена необходимо обеспечить турбулентный режим течения, он достигается при Re более 10000. Зададимся:
Re=10000
Скорость течения раствора в аппарате с диаметром труб d=20 мм рассчитаем
по формуле:
(29)
где wтр – скорость течения раствора в трубном пространстве м/с;
dэкв – эквивалентный диаметр, м;
Значения коэффициентов вязкости раствора mр и плотности rр возьмём при температуре tср.р. и концентрации Хнач ( Приложение 2, п.1,п.2 )
м/с
Проходное сечение трубного пространства Sтр ,м2 :
(30)
м2
Для того, чтобы подобрать наиболее подходящий вариант подогревателя необходимо произвести уточнённый расчёт нескольких близких аппаратов. Примем диаметр труб d=25 мм:
м/с
м2
3.2.4. Параметры теплоносителей необходимые для уточнённого расчёта подогревателя
| Параметр | Горячий | Холодный |
| Название Теплоносителя | Водяной пар | Водный р-р MgCl2 |
| Тепловой процесс | конденсация | нагревание |
| Расход, кг/с | 0,45977 | 4,5 |
| Температуры: | ||
| Конденсации / начальная | 124,168 | 35 |
| Конечная | 86,668 | |
| Средняя | 64,518 | |
| Плотность, кг/м3 | 937,6 | 994 |
| Вязкость, Па*с | 0,000222 | 0,000469 |
| Теплопроводность, Вт/м*К | 0,677 | 0,672 |
| Теплоёмкость, Дж/кг*К | 4193 | |
| Коэф. Объёмн. Расшир., 1/К | 0,000551 | |
| Производные по температуре: | ||
| Вязкости | -0,0000022049 | -0,000006293 |
| Теплопроводности | -0,0004803 | 0,0009253 |
| теплоёмкости | 3,69 | |
| Теплота конденсации, Дж/кг | 2205000 | |
3.2.5 Ориентировочный выбор подогревателя.
Для обеспечения турбулентного режима номинальная площадь проходного сечения должна быть меньше рассчитанной. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара не зависит от режима течения в межтрубном пространстве, следовательно, необязательно рассчитывать скорость движения пара и проходное сечение межтрубного пространства
Выбор теплообменных аппаратов производится по проходному сечению трубного пространства / 3, табл. 2.3 /.
3.2.6. Параметры подогревателя необходимые для уточнённого расчёта.
| Параметр / № аппарата | 20 мм | 25 мм |
| Тип | Кожухотрубчатый | Кожухотрубчатый |
| Положение | Горизонтальный | Горизонтальный |
| Перегородки в м-тр простр-ве | Есть | Есть |
| Расположение труб | шахматное | шахматное |
| Кол-во труб | 166 | 100 |
| Рядов труб | 14 | 10 |
| Ходов | 2 | 2 |
| Внут. Диам. Кожуха, мм | 400 | 400 |
| Трубы, мм | 20*2 | 25*2,5 |
| Проходное сечение трубного простр., м2 | 0,017 | 0,017 |
| Проходное сечение межтрубного простр., м2 | 0,03 | 0,025 |
| Термич. Сопрот. Загрязнений | 0,00071 | 0,00071 |
| Теплопров. Мат-ла труб, Вт/м*К | 46,5 | 46,5 |
3.2.7. Уточнённый расчет подогревателя на ЭВМ.
По данным п. 3.2.4.-3.2.6. Произведём уточнённый расчёт подогревателя результаты расчёта представлены в (приложении 3).
3.2.8. Расчёт гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников
Скорость жидкости в трубах:
(31)
Скорость раствора для обоих подогревателей wтр
, м/с:
м/с
Коэффициент трения l рассчитывается по формуле / 3, ф-ла. 2.31 / :
(32)
где е – относительная шероховатость труб;
е=D/dэкв (33)
где D - высота выступов шероховатостей (в расчётах можно принять D=0.2 мм)
Тогда относительная шероховатость труб для первого и второго теплообменника соответственно:
е1=0.2/(20-4)=0.0125
е2=0.2/(25-4)=0.0095
Коэффициент трения для первого теплообменника l1 :
Коэффициент трения для второго теплообменника l2 :
Диаметр штуцеров в распределительной камере dтр.ш =150 мм / 3, табл. 2.6 / (для каждого теплообменника, скорость в штуцерах wтр.ш , м/с:
м/с
Формула для определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве Dртр , Па / 3, ф-ла. 2.35 /:
(34)
Гидравлического сопротивления в трубном пространстве для первого теплообменника Dртр1 :
= 709.98 Па
Гидравлического сопротивления в трубном пространстве для второго теплообменника Dртр2 :
= 597.12 Па
Число рядов труб омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве m приближенно принимается / 3, ф-ла. 2.34 /:
(35)
где n – количество труб
Для первого теплообменника m1:
Для второго теплообменника m2:
Число сегментных перегородок для первого теплообменникаХ1 / 3, табл. 2.7/:
Х1 =6
Число сегментных перегородок для второго теплообменника Х2 :
Х2 =10
Диаметр штуцеров к кожуху dмтр.ш / 3, табл. 2.6 /:
dмтр.ш =150 мм
Скорость потока в штуцерах (для каждого из теплообменников) по ф-ле. (31):
м/с
Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства для первого теплообменника Sм.тр =0.017 м2 :
м/с
Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства для второго теплообменника Sм.тр =0.025 м2 :
м/с
Значение Re межтрубного пространства:
(36)
Значение Re межтрубного пространства для первого теплообменника:
Значение Re межтрубного пространства для второго теплообменника:
Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства Dрмтр , Па / 3, ф-ла. 2.36 /:
(37)
Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства для первого теплообменника Dрмтр1 , Па:
=18.338 Па
Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства для второго теплообменника Dрмтр1 ,2:
= 13.05 Па
3.2.9. Выбор аппарата по каталогу.
Проанализировав данные уточнённого расчёта, а также расчёт гидравлического сопротивления, мы видим, что оба теплообменника одинаково хорошо подходят (расходы теплоносителей одинаковы, гидравлические сопротивления различаются незначительно).На мой взгляд более предпочтителен аппарат №1, так как его габариты меньше, чем у аппарата №2. Следует так же отметить, что любой из этих аппаратов обеспечит необходимую площадь теплообмена с учётом запаса.
Таблица 2. Параметры кожухотрубчатого теплообменника
| D, мм | d, мм | Число ходов | n, шт. | Np | F, м2 | Sтр. ,м2 |
| l=2 м | ||||||
| 400 | 20 | 2 | 166 | 14 | 21 | 0.017 |
3.3. Расчёт холодильника упаренного раствора.
3.3.1. Определение средних температур теплоносителей.
Рис. 2 Температурная схема движения теплоносителей при противотоке
tкон ,t’кон – температура упаренного раствора до и после холодильника, °С;
tнач.в ,tкон.в – температура охлаждающей воды до и после холодильника, °С;
Конечную температуру воды и упаренного раствора выбираем самостоятельно, причём t’кон следует принять из интервала 40-30 °С.
По формулам (24-26) определяем:
Dtб = 89.168 – 35 = 54.168 °С
Dtм = 40 – 13 = 27 °С
°С
Среднюю температуру воды найдём как среднее арифметическое tвод.ср. , °С:
tвод.ср = (tнач.в +tкон.в )/2 (38)
tвод.ср = (13+35)/2=24 °С
Средняя температура раствора tср.р , °С:
tср.р = tвод.ср +Dtср (39)
tср.р =24 + 39.02 = 63.02 °С
3.3.2. Тепловой баланс холодильника.
Количество теплоты, которое необходимо отвести от раствора для его охлаждения:
Q= Gкон скон (tкон -t’кон ) (40)
где Gкон – расход упаренного раствора кг/с;
скон – удельная теплоёмкость раствора при tср.р. и Хкон , Дж(кг К)
Удельная теплоёмкость раствора скон раствора при tср.р. и Хкон
(Приложение 2, п.3):
скон =3937 Дж(кг К)
Расход упаренного раствора Gкон ,кг/с по формуле (2):
Gкон =1.164 кг/с
Q=1.164 3937 (89.168-40)=2.253 105 Вт
Так как вся отводимая от раствора теплота передаётся охлаждающей воде, то её расход можно найти по формуле:
(41)
где Gвод – расход охлаждающей воды, кг/с;
свод – теплоемкость воды при температуре tвод.ср. ,Дж/(кг К)
Удельная теплоемкость воды при температуре tвод.ср (Приложение 2 п.3):
свод =4187 Дж/(кг К)
кг/с
3.3.3. Ориентировочный расчёт холодильника.
Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к жидкости / 2, табл. 4.8 /:
Кор =1000 Вт/(м2 К)
Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);
м2
Рассчитаем скорость течения раствора wтр по трубному пространству холодильника с диаметром труб d=20 мм и площадь сечения Sтр трубного пространства, необходимые для обеспечения турбулентного режима течения раствора по формулам (29,30).
Плотность раствора rр и коэффициент динамической вязкости mр при tср.р. и Хкон (Приложение 2, п.1,п.2)
rр =1018 кг/м3
mр =4.606 10-4 Па с
м/с
м2
Рассчитаем скорость течения в воды межтрубном wмежтр и площадь сечения Sмежтр межтрубного пространства, необходимые для обеспечения турбулентного режима.
(42)
Плотность воды rв и коэффициент динамической вязкости mв при tвод.ср. (Приложение 2, п.1,п.2)
rв =996.467 кг/м3
mв =9.082 10- 4 Па с
Эквивалентный диаметр при поперечном обтекании равен наружному диаметру трубы d.
м/с
(43)
м2
3.3.4. Выбор холодильника упаренного раствора.
Для обеспечения турбулентного режима номинальные площади проходных сечений трубного и межтрубного пространств должны быть меньше рассчитанных. Исходя из площади теплообмена и величин полученных проходных сечений мы должны выбрать теплообменник с наиболее подходящими параметрами, проанализировав данные расчёта делаем вывод, что для обеспечения требуемых параметров, необходимо использовать два, последовательно соединённых одноходовых аппарата. По каталогу / 3, табл. 2.3 /
Таблица 3. Параметры кожухотрубчатого теплообменника
| D, мм | d, мм | Число ходов | n, шт. | Np | F, м2 | Sтр. ,м2 | Sмежтр. ,м2 |
| L=3 м | |||||||
| 159 | 20 | 1 | 19 | 5 | 3.5 | 0.004 | 0.005 |
3.4. Расчёт барометрического конденсатора
3.4.1 Расход охлаждающей воды.
Расход охлаждающей воды Gв определим из теплового баланса конденсатора:
(44)
где iб.к. - интальпия паров вбарометрическом конденсаторе, Дж/кг;
tн – начальная температура охлаждающей воды, °С;
tк – конечная температура смеси охлаждающей воды и конденсата, °С;
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов. Поэтому температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров t0 :
tk =t0 –4
tk = 88.3 – 4 =84,3 °С
Энтальпия паров вбарометрическом конденсаторе iб.к , при температуре t0 / 2, табл LVI /:
iб.к ,=2658.94 103 Дж/кг;
Среднюю температуру воды найдём по формуле (38):
tср.в. =(84.3+13)/2=48.65 °С
Удельная теплоёмкость воды св при температуре tср.в. (Приложение 2, п.3):
св =4186 Дж.(кг К)
кг/с
3.4.2. Диаметр барометрического конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:
(45)
где r - плотность паров,
29-04-2015, 04:09