Температурный режим работы установки. Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов

Однако, он необходим, так как дает возможность рассчитать коэффициенты теплопередачи, тепловые нагрузки, а также уточнить и дополнительно выбрать поверхности нагрева корпусов выпарной установки.

2.1 Расчет коэффициентов теплопередачи в выпарных  аппаратах с принудительной циркуляцией.

 

                                                   (3)

где- коэффициент теплоотдачи при конденсации пара;

- коэффициент теплоотдачи к раствору;

,-толщина стенки трубок и накипи ;

,-их теплопроводности.

=2 мм. = 0,002 м.  [1] ГОСТ

=1,2 мм. = 0,0012 м.

=17,5 [Вт/м²К]   (так как нерж. сталь)  [2]

= 1 [Вт/м²К] 

Расчет коэффициента «К» веду по второму корпусу. 

Коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности:

 

где А-коэффициент, учитывающий теплофизические свойства конденсата при средней температуре пленки t_пл =0,5·(t_ir+t_с1);

t_c1 - температура наружной поверхности стенки трубок;

r - скрытая удельная теплота конденсации (парообразования) при температуре греющего пара t_ir;

Н = 6м - высота (длина) трубок; [1]

Δt = (t_ir- t_с1) - движущая сила теплоотдачи при конденсации пара;

ε_r - поправочный коэффициент, учитывающий содержание неконденсируемого газа (воздуха) в паре.

Сложность расчета состоит в том, что неизвестно значение t_с1, вследствие чего нельзя сразу рассчитать Δt. Принимая процесс теплопередачи от конденсирующегося пара к раствору (на данный момент времени) установившимся, расчет веду методом последовательного приближения, в основе которого лежит равенство удельных тепловых потоков от конденсирующего пара к стенке q_конд., через стенку q_ст., накипь q_н. и от последней к раствору q_кип. [ 5 ]:

q_конд. = q_ст. = q_н. =q_кип. = q = const                                                                      ( 5 )

На первом этапе приближения произвольно задаюсь значением Δt в пределах (1÷3)°C в зависимости от полезной разности температур Δt_i в данном корпусе (см. таблицу температурного режима). Наименьшему значению Δt_i отвечает и меньшее значение Δt [ 5 ].

Скрытая удельная теплота конденсации  (парообразования) r при температуре греющего пара  t_2Г =105,1649°C [2]:

r=2247 кДж/кг

Задаюсь значением Δt=3 °C

При принятом значении Δt и известной температуре греющего пара t_2Г =105,1649°C нахожу:

t_с1 = t_2Г – Δt =105,1649-3 = 102,1649   [ 5 ]

и рассчитываю

t_пл = 0,5·(t_2Г+t_с1) = 0,5·(105,1649+102,1649) =103,6649°C

по значению, которой путем линейной интерполяции [5] нахожу численное значение коэффициента А в формуле ( 4 ).

 

При определении ε_r задаюсь содержанием воздуха в паре = (0,3÷0,6)%

Принимая = 0,5% ,получаю ε_r = 0,6  [ 2,стр.167]

Рассчитывая по формуле ( 4 ) значение α₁

 

определяю удельный тепловой поток при конденсации греющего пара [ 5 ]

q_конд. = α₁(t_2Г - t_с1) = α₁Δt = 12468  Вт/м²                                                                                                          ( 6 )

Для дальнейших расчетов к моменту останова установки необходимо предварительно определить толщину накипи в корпусе, для которого ведется расчет коэффициента теплоотдачи, по формуле [ 5 ]

 

( 7 )

где δ_н, х и W - толщина слоя накипи (по заданию), концентрация щелока и расход по выпариваемой воде в последнем (по ходу раствора) корпусе;

δ_нi, x_i и W_i - соответствующие параметры корпуса, для которого ведется расчет.

δ_н2 = δ_н = 0,0012 м

Х_i = Х₂ = 54 %

W_i =W₂ = 2.95 кг/с

Определяю температуру накипи со стороны раствора [ 5 ].

( 8 )

                                                                                               

Коэффициент теплоотдачи α₂ определяю из критерия Нуссельта.

Nu=B*Re^0.8*Pr^0.43,                               ( 9 )

где Nu = α₂·d/λ. Следовательно, α_2=;

В=0,0226 для аппаратов с вынесенной зоной кипения.

В аппаратах с принудительной циркуляцией при однократном прохождении раствора по трубкам его концентрация изменится незначительно и близка к концентрации раствора на выходе из аппарата. Поэтому все теплофизические параметры раствора, а именно, его динамическая  µ=2,4·10^-2 Па·с и  кинематическая 

v=1,91·10^-5м²/с вязкости, теплопроводность λ=0,48 Вт/(м·K) и теплоемкость с=3159,2Дж/(кг·K), которые входят в определяемый и определяющие критерии уравнения (9), рассчитываются при концентрации раствора и его температуре на выходе из аппарата, то есть при x_i2 и t_i2 [ 1 ].

Определяющим линейным размером в критериях Nu и Re служит внутренний диаметр трубок греющей камеры, уменьшенный в связи с образованием слоя накипи на их внутренней поверхности

d = d_н - 2·( δ_ст+δ_нi)= 0.038-2*(0,002+0,0012)=0,032м

Скорость движения раствора w в трубках греющей камеры аппарата с принудительной циркуляцией принимаю 2 м/с [ 5 ].

 

- Режим переходный

 

Значение Nu нахожу по графику

 

После определения α₂ определяю удельный тепловой поток при теплоотдаче к раствору [ 5 ]

q_кип. = α₂·(t_н – t_i2),                                                                                                               ( 10 )

где t_н - рассчитана по формуле ( 8 );

ti2 - определяется при составлении температурного режима [ 1 ].

Для второго корпуса t₂₂ = 82,09°C

q_кип = 1216·(85,78 –82,09) = 4488 Вт/м²

q_конд = 12469 Вт/м² > q_кип=4488 Вт/м², значит необходимо уменьшит Δt.

Задаюсь Δt = 2°C

t_с1 = t_2Г – Δt =105,1649 – 2 =103,1649°C                   [ 5 ]

t_пл = 0,5·(t_2Г+t_с1) = 0,5·(105,1649 +103,1649) = 104,1649°C  [ 5 ]

 

Рассчитывая по формуле (4) значение α₁

 

определяю удельный тепловой поток при конденсации греющего пара [ 5 ]

q_конд. = α₁(t_2Г - t_с1) = α₁Δt = 4605,25·2 = 9210,5Вт/м²

 

Значения критериев Рейнольдса Re = 3351, Прандтля