Расчет выпарного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F = Q / ( K^. Дt_п ) , (1)

Для определение тепловых нагрузок Q, коэффициент теплопередачи К и полезных разностей температур Дt_п необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температуры кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:

W = G_н^.(1 - х_н/х_к) , (2)

Где х_н - начальная концентрация, дана в задании, х_н = 8%;

х_к - конечная концентрация, дана в задании, х_к = 30%;

G_н - производительность, указана в задании, G_н = 2,778 кг/с.

Подставив значения в формулу (2), получим:

W = 2,778^.(1 - 8/30) = 2,037 кг/с.

1.1 Расчет концентраций упариваемого раствора по корпусам

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом корпусе. На основании практических данных производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

w₂ : w₁ = 1,0 : 1,1 , (3)

Тогда количество выпаренной воды:

В 1 - м корпусе w₁ = 1,0^. 2,037 /(1,0+1,1) = 0,97 кг/с.

Во 2 - м корпусе w₂ = 1,1^. 2,037 /(1,0+1,1) = 1,067 кг/с;

Концентрация растворов в корпусах:

В 1-м корпусе х₁= G_н^.х_н /(G_н-w₁)=2,778^.0,08/(2,778-0,97)=0,1229 или 12,29%.

Во 2-м корпусе х₂= G_н^.х_н /(G_н-w₁-w₂)=2,778^.0,08/(2,778-0,97-1,067)=0,2999 или 29,99%;

Что соответствует заданию.

2. Определение температур кипения раствора по корпусам

2.1 Распределений давлений по корпусам установки

Общий перепад давлений в установке:

?р_общ = р_г.п. - р_б.к , (4)

где р_г.п - давление пара в первом корпусе, указано в задании р_г.п =2,1 ат;

р_б.к - давление в барометрическом конденсаторе, который мы можем найти как разницу между атмосферным давлением при нормальных условиях (1 ат) и вакуумом в соковом пространстве последнего корпуса, который указан в задании:

р_б.к= р_ат - В=1-0,7= 0,3 ат

Подставив значения в формулу (4), получим:

? р_общ = 2,1-0,3 = 1,8 ат.

Тогда абсолютные давления греющих паров по корпусам будут равны:

p_{г п 1}=2,1 ат;

р_{г п 2} = 2,1-1,8/2 = 1,2 ат;

р_{б к} = 1,2-1,8/2 = 0,3 ат.

Что соответствует заданию.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии, таблица LVII, с. 549 [1].

Таблица 1 - Исходные данные для определения температуры кипения вторичных паров.

Давление, ат	Температура, 0С	Теплота парообразования, кДж/кг
2,1	120,93	2204
1,2	104,2	2249
0,3	68,7	2336

2.2 Определение гидродинамической депрессии

На основании практических рекомендаций принимаем гидродинамическую депрессию для каждого корпуса ?```=1 град, тогда температуры вторичных паров, давления и теплоты парообразования их в корпусах будут равны, ⁰С :

t_{в п1}= t_{г п2} +?```=104,2+1=105,2 ,

t_{в п2}= t_бк +?```=68,7+1=69,7

Таблица 2 - Температуры вторичных паров.

Температура tв п , 0С	Давление рв п , ат
105,2	1,241
69,7	0,314

Сумма гидродинамических депрессий:

? ?``` =?<sub>1</sub>```+?₂```= 1+1 = 2.

2.3 Определение гидростатической депрессии

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:

р_срi = р_{в п i} + с_i g^.Н^.(1 - e) /2, (5)

где р_{в п i} - давление вторичных паров, МПа, таблица 2;

Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

с_i - плотность кипящего раствора, при начальной и конечной концентрации, с₁ = 1102; с₂ = 1260 кг/м³, с. 186 [2].

е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³, при пузырьковом (ядерном) режиме кипения составляет 0,4-0,6, принимаем 0,5.

Для выбора высоты трубы Н необходимо ориентировочно определить площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата F_ор, выбрать параметры аппарата по ГОСТ 11987-81.

Площадь поверхности теплопередачи ориентировочно определяется по формуле:

F = Q/q = w₁^.r₁/q , (6)

Где r₁ - теплота парообразования вторичного пара, r₁ = 2204^.10³ Дж/кг, таблица LV11, с. 549 [1].

q - удельная тепловая нагрузка аппарата, Вт/м².

Принимаем для аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000 Вт/м², с.168 [2]. Тогда поверхность теплопередачи 1-ого корпуса (ориентировочно):

F₁ = 0,97^.2204^.10³/20000 = 106,894 м².

Принимаем по ГОСТ 11987-81 выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой с площадью поверхности теплопередачи F =125 м² , высотой кипятильных труб 4 м, диаметром труб 38Ч2 мм, с.182 [2].

Таким образом, давление в среднем слое кипятильных труб корпусов, найдем по формуле (5):

р_ср1 = 12,17^.10⁴+4^.1102^.9,8^.(1-0,5)/2 = 13,25^.10⁴ Па=1,35 ат

р_ср2 = 3,08^.10⁴+4^.1260^.9,8^.(1-0,5)/2 = 4,32^.10⁴ Па=0,44 ат

Полученным давлениям соответствуют следующие температуры кипения:

Таблица 3 - Исходные данные для определения гидростатической депрессии

Давление рср, ат	Температура tср , 0С	Теплота парообразования rв п , кДж/кг
1,35	107,6	2240
0,44	77,6	2315

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам:

?``_i = t_{ср i} - t_{в п i}, (7)

Подставив значения в формулу (7), получим:

?``₁ = 107,6-105,2 = 2,4 ⁰С;

?``₂ = 77,6-69,7 = 7,9 ⁰С.

Сумма гидростатических депрессий:

? ?`` =?``₁ + ?``₂ =2,4+7,9 = 10,3⁰С.

2.4 Определение температурной депрессии

Температурная депрессия по корпусам с учетом давления в них определяется по формуле:

?`<sub>i</sub> = 1,62<sup>.</sup>10<sup>-2</sup> Т<sup>2</sup><sub>i</sub>?`_атмi/r_{в п} , (8)

Где ?`_атмi - температурная депрессия при атмосферном давлении, с.187 [2].

Подставив значения в формулу (8), получим:

?`₁ = 1,62^.10^-2.(273+107,6)^2.2,9/2240 = 3,04 ⁰С;

?`₂ = 1,62^.10^-2.(273+77,6)^2.15,4/2315 = 13,25 ⁰C

Сумма температурных депрессий:

? ?` =?`₁ +?`₂ = 3,04+13,25 = 16,29 ⁰С.

Температура кипения растворов по корпусам, ⁰С:

t_k1= t_{г п 2} + ?`₁ + ?``₁ + ?```;

t_k2= t_{б к}+ ?`₂ + ?``₂ + ?``` , (9)

T_к1= 104,2+3,04+2,4+1 = 110,64 ⁰С;

T_к2 = 68,7+13,25+7,9+1 = 90,85 ⁰С.

2.5 Определение полезной разности температур

Общая полезная разность температур определяется по формуле, ⁰С:

? t _{пол общ} = ? t_п1 + ? t_п2, (10)

Полезные разности температур по корпусам ( в ⁰С ) равны:

? t_пi = t_гi - t_кi,

? t_п1 = 120,93 - 110,64 = 10,29;

? t_п2 = 104,2 - 90,85 = 13,35

Подставив значения в формулу (10), получим:

? t _{пол общ} = 10,29+13,35=23,64

Тогда общая полезная разность температур, ⁰С :

?? t_п = t _г.п.- t _б.к. - (??`+??``+??```)

?? t_п = 120,93-68,7-(2+10,3+16,29) = 23,64.

2.6 Определение тепловых нагрузок по корпусам

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

Q₁ = D^.r_гп1 = 1,03^.[G_н^.c_н^.(t_k1-t_н)+w₁^.r_вп1],

Q₂= w₁^.r_гп2 = 1,03^.[(G_н - w₁)^.c₁ (t_k2-t_k1)+w₂^. r_вп2], (10)

w₁+w₂ = W

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду

Q₂= w₁^.2249 = 1,03^.[(2,778 - w₁)^.3,675(90,85-110,64)+(2,037- w₁)^. 2274],

w₂ = 2,037- w₁

Решение системы уравнений дает следующие результаты:

D = 1,057 кг/с; w₁ = 1,01кг/с; w₂= 1,03 кг/с.

Тепловые нагрузки по корпусам:

Q₁ = D^.r_гп1 = 1,057^.2204 = 2329,6 кВт;

Q₂= w₁^.r_гп2 =1,01^.2249 = 10888,2623 кВт.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Таблица 7 - Параметры растворов и паров по корпусам

Параметры	корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	1,01	1,03
Концентрация растворов х, %	12,29	30
Давление греющих паров, Рг, МПа	0,214	0,122
Температура греющих паров, 0С	120,93	104,2
Температурные потери, У?, 0С.	6,44	22,15
Температура кипения раствора, tk, 0С.	110,64	90,85
Полезная разность температур ?tп, град	10,29	13,35

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 3%.

Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде MgCl₂ в интервале изменения концентраций от 8 до 30 % . В этих условиях химически стойкий является сталь марки Х17; ее теплопроводность l_ст = 25,1 Вт/(Вт м) [2].

2.7 Определение коэффициентов теплопередачи

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

К = 1 / (1/--a₁ + S d_ст/l_ст + 1/a₂)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки d_ст/l_ст и накипи d_н/l_н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

Принимая для всех корпусов толщину слоя накипи d_н=0,2мм, l_н=2Вт/(м К), получаем:

d_ст/l_ст = 0,002/25,1+ 0,0002/2 = 2,87^.10^-4 м^2.К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенки б₁ равен:

a₁ = 2,04 ^4.( r₁р_ж²₁l³_ж1)/m _жDt₁)

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, 2204^.10³ Дж/кг, таблица LVII, с. 549 [1];

р_ж1 l_ж1 m _ж - соответственно плотность(кг/м³), теплопроводность Вт/(м^.К), вязкость (Па^.с) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_r1 - ?t₁/2, где ?t₁ - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет б₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем ?t₁ = 1,0 град. Тогда t_пл = 137,9 - 1/2 = 136,9; р_ж1 = 1010 кг/м³ , рисунок 6, с. 17 [2]; l_ж1 = 0,60476 рисунок 32, с. 114 [2]; m_ж = 0,6928*10^-3 , рисунок Подставив значения в формулу (12), получаем:

б ₁ = 2,04^4.(2204^.10^3.943^2.0,675³)/(0,17^.10^-3.4^.2) = 9360,13 Вт/(м^2.К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q = б ₁^. ?t₁=?t_ст /(S d_ст/l_ст) = б ₂^. ?t₂ , (13)

где q - удельная тепловая нагрузки, Вт/м²;

?t_ст - перепад температур на стенке, град;

?t₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град. Отсюда:

?t_ст = б ₁^. ?t₁ ^.--S d_ст/l_ст = 9360,13^. 2 ^. 2,87^.10^-4 = 5,37 град

Тогда:

?t₂ =?t_пол1 - ?t_ст - ?t₁ = 10,29 - 5,37 - 2 = 2,92 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора равен:

a₂ = Aq^0.6 = 780q^0.6.l₁^1.3. р₁^0,5. р_п1^0,06/ s₁^_.5.r_в1^0,6. р₀^0,66.с₁ ^0,3.m₁ ^0,3, (14)

Таблица 6 - Физические свойства кипящих растворов MgCl₂ и их паров.

Параметр	Корпус
	1	2
Теплопроводность раствора ?, Вт/(м.К)	0,57	0,59
Плотность раствора р, кг\м3	1102	1260
Теплоемкость раствора с, Дж/(кгК)	3675	2934
Вязкость раствора ?1, Па.с	0,15.10-3	0,91.10-3
Поверхностное натяжение ?, Н/м	0,065	0,069
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2240.103	2315.103
Плотность пара рп, кг/м3	1,187	0,6865

Подставляем значения в формулу(14), получаем:

a₂=780q^0.6.0,57^1.31102^0,51,187^0,06/0,065^_.5(2240^.10³)^0,60,578^0,663675^0,3(0,15^.10^-3) ^0,3;

a₂ =13,59(a₁ Dt₁) = 13,59^.(9360,13^.2)^0,6 = 4937 Вт/(м^2.К).

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q₁ =a₁ Dt₁= 9360^.2 = 18720 Вт/м²;

q₂ =a₂ Dt₂= 4973^.2,92 = 14521 Вт/м².

Как видим, q₁ ? q₂.

Для второго приближения примем Dt₁ = 3,0 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 2 град, рассчитаем a₁ по соотношению

a₁ = 9350⁴2/3 = 8457 Вт/(м²К).

Получим:

Dt_ст = 8449^.3^.2,87^.10^-4 = 7,2 град;

Dt₂ = 10,3 - 7,2 - 3 = 0,1 град;

a₂ = 13,59(8457^.3)^0,6 = 5968 Вт/(м^2.К);

q₁ = 8457^.3 = 25371 Вт/м²;

q₂ = 5968^.0,1 = 596,8 Вт/м².

Очевидно, что q₁ ? q₂.

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем Dt₁ = 1,75 град.

Рисунок 1 - зависимость q от Dt₁

Получим:

a₁ = 9360⁴2/1,75 = 9678 Вт/(м²К).

Dt_ст = 9678^.1,75^.2,87^.10^-4 = 4,86 град;

Dt₂ = 10,29 - 4,86 - 1,75= 3,68 град;

a₂ = 13,59(9678^.1,75)^0,6 = 4683 Вт/(м^2.К);

q₁ = 9678^.1,75 = 16945 Вт/м²;

q₂ = 4683^.3,68 = 17233 Вт/м².

Как видим, q₁ = q₂. Расхождение между нагрузками составляет 1,7% ( что не превышает 5 %), расчет коэффициентов на этом заканчиваем. По формуле (11), находим К₁:

К₁ = 1/(1/9678 + 2,87^.10^-4 +1/4683) = 1704 Вт/(м^2.К).

Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂. Для этого принимаем: р_ж2 = 958 кг/м³, с. 186 [2]; л_ж1 = 0,675 Вт/(м^.К); м _ж = 0,22^.10^-3 Па^.с; r₂ - 2249^.10³ Дж/кг, таблица LVII, с. 549 [1]. Подставив значения в формулу (12), получаем:

a₁ = 2,04^4.(2249^.10^3.958^2.0,675³)/(0,22^.10^-3.4^.2,1) = 8782 Вт/(м^2.К).

Dt_ст =a₁^.--Dt₁ Sd_ст/l_ст = 8782^. 2,1 ^. 2,87^.10^-4 = 5,29 град;

Dt₂ =Dt_пол1 - Dt_ст - Dt₁ = 13,35 - 2,1 - 5,29 = 5,96 град.

a₂ = 8,6(8782^.2,1)^0,6 = 3119 Вт/(м^2.К);

q₁ =8782^.2,1 = 18442 Вт/м²;

q₂ = 3119^.5,96 = 18588 Вт/м².

Как видим, q₁ = q₂. По формуле (11), находим К₂:

К₁ = 1/(1/8782 + 2,87^.10^-4 +1/3119) = 1682Вт/(м^2.К).

2.8 Распределение полезной разности температур

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

Dt_пj = Dt_п (Q_i/K_i)/(?Q/K), (15)

где Dt_пj , Q_i , K_i - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j - корпуса.

Подставив численные значения получим:

Dt_п1 = 23,64 (2329,6/1704)/[(2329,6/1704) +(2271,49/1682)] = 11,89 град;

Dt_п2 = 23,64 (2271,49/1682)/[(2329,6/1704) +(2271,49/1682)] = 11,74 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

S Dt_п =Dt_п1 + t_п2 = 11,89 + 11,74 = 23,63 град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (1):

F₁ = 2329,6^.10³/(1704^.11,89) = 114,98 м²;

F₂ = 2271,49^.10³/(1682^.11,74) = 115,03 м².

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

Таблица 7

Распределенные в 1-м приближении значения Dtп , град.	11,89	11,74
Предварительно рассчитанные значения Dtп , град.	10,29	13,35

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в первом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно не различаются.

По ГОСТ 11987-81 [2] выбираем аппарат со следующими характеристиками:

Таблица 8

Номинальная поверхность теплообмена Fн	125 м2
Диаметр труб d	38*2 мм
Высота труб Н	4000 мм
Диаметр греющей камеры dk	1000 мм
Диаметр сепаратора dc	2200 мм
Диаметр циркуляционной трубы dц	700 мм
Общая высота аппарата На	13500 мм
Масса аппарата Ма	11500 кг

2.10 Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции d_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

a_в(t_ст2 - t_в) = (l_н/d_и)(t_ст1 - t_ст2) , (16)

Где a_в = 9,3+0,058 t_ст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м^2.К;

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), примем равной 35 ⁰С, тогда a_в = 9,3+0,058 ^.35 = 11,33 Вт/м^2.К;

t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; в виду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t₁ = 120,93 ^оС;

t_в - температура окружающей среды, ^оС;

l_н - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/мК.

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезии + 15 % асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности ?_н = 0,09 Вт/мК.

Подставив значения в формулу (16), получаем:

d_и = 0,09^.(120,93-35,0) / 11,62^.(35,0-20,0) = 0,045 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,045 м и для другого корпуса.

3. Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая поддается в конденсатор чаще всего 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.

3.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

G_в = w₂ ^.r₂/с_в(t_к - t_н), (17)

где r₂ - Теплота парообразования, Дж/кг

t_н - начальная температура охлаждающей воды, ^оС;

t_к - конечная температура смеси воды и конденсата, ^оС.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсата должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 градуса ниже температуры конденсации паров:

t_к = t_бк - 3,0 = 68,7 - 3,0 = 65,7 ^оС,

Тогда:

G_в = 1,03 ^.2249 ^.10³/4,19^.10³(65,7 - 20) = 12,53 кг/с.

3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяется из уравнения расхода:

d_бк = 4w₂/(ppv), (18)

где р - плотность паров, кг/м³;

v - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров v = 15-25 м/с.Тогда:

d_бк = 4^.1,067/(0,19^.3,14 ^.15) = 0,779 м.

Выбираем барометрический конденсатор диаметром d_бк = 800мм; Приложение 4.7 [2].

3.3 Высота барометрической трубы

Внутренний диаметр барометрической трубы d_бт равен 200 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

v = 4 (G_в+w₃)/ppd²_бт = 4 (12,53 + 1,03)/1000 ^.3,14 ^.0,2² = 0,433м/с.

Высота барометрической трубы:

Н_бт = В/р_вg + (1+S--x--+--lH_бт/d_бт)v_в²/2g + 0,5, (19)

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

S--x - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

l - коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 - запас высоты на изменение барометрического давления, м.

В = 0,7 ат = 6,867^.10⁴ Па.

?о = о_вх+о_вых = 0,5+1,0 = 1,5.

где о_вх+о_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

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

Re = v_вd_бтр_в/м_в = 0,433^.0,2^.1000/0,54^.10^-3 = 160370.

Для гладких труб при Re = 160370 коэффициент трения ? = 0,012.

Подставив в (19) указанные значения получим:

Н_бт = 6,867^.10⁴ /1000^.9,8 + (1+1,5+0,012H_бт/0,2)0,433²/2 ^.9,8 + 0,5.

Отсюда находим Н_бт = 7,56 м.

3.4 Расчет производительности вакуум-насоса.

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

G_возд = 2,5 ^.10^-5.(w₂ +G_в) + 0,01^.w₃, (20)

Где 2,5^.10^-5 - количество газа, выделяющегося с одного кг воды; 0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через не плотности, на 1 кг паров. Тогда:

G_возд = 2,5^.10^-5(1,03+12,53)+0,01^.1,03 = 10,639^.10^-3 кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

V_возд = R ^.(273 + t_возд)^.G_возд/(М_возд ^.Р_возд), (21)

где R - универсальная газовая постоянная Дж/(кмоль^.К);

М_возд - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

t_возд - температура воздуха, ^оС;

Р_возд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температура воздуха рассчитывается по уравнению:

t_возд = t_н + 4 + 0,1(t_к - t_н) = 20 + 4 + 0,1(65,7-20) = 28,57 ^оС.

Давление воздуха равно:

Р_возд = Р_бк - Р_п, (22)

где Р_п - давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд=28,57^оС. Подставив, получим:

Р_возд = 2,94 ^.10⁴ - 0,392 ^.10⁴ = 2,56 ^.10⁴ Па.

Подставив все полученные значения в формулу (21), получим.

V_возд=8310^.(273+28,57)^.10,639^.10^-3/(29^.2,56^.10⁴)= 0,036 м³/с = 2,15 м³/мин.

Зная объемную производительность воздуха и остаточное давление, по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 мощностью на валу 6,5 кВт, Приложение 4.7 [2].

4. Расчет диаметра штуцеров

Диаметры штуцеров находим из уравнения неразрывности потока :

V = G/с

d = V/(0,785^. w)

Принимаю скорости движения: пара w_п=30 м/с, конденсата w_к =1 м/с, раствора w_к = 1м/с.

Штуцер для подачи раствора в аппарат:

V₁ = G_н/с = 2,778/1102=0,0025м³/с;

d₁ = 0,0025/(0,785^. 1)=0,056 м

Штуцер для подачи греющего пара:

V₂ = D_п/с_п = 1,057/1,187=0,8905 м³/с;

d₂ = 0,8905/(0,785^. 30)=0,19 м

Штуцер для выхода конденсата:

V₃= D_п /с = 1,057/981=0,0011 м³/с;

d₃ = 0,0011/(0,785^. 1)=0,037 м

Штуцер для выхода конденсата:

V₄= (G_н-w₁) /с = (2,778-1,01)/981=0,0018 м³/с;

d₄ = 0,0018/(0,785^. 1)=0,048 м

Штуцер для выхода сокового пара:

V₅= 1,057/0,6865=1,5397 м³/с;

d₅ = 1,5397/(0,785^. 35)=0,237 м

выпарной раствор конденсатор подогреватель

5. Расчет кожухотрубчатого подогревателя

Рассчитать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник для нагрева 2,778 кг/с MgCl₂ от 20 до 107,6 ^оС. Греющий водяной насыщенный пар имеет температуру 127,64^оС.

Температурная схема:

127,64- 127,64

20,0 - 107,64

?t_б = 107,64 ?t_м = 20

Средняя разность температур:

?t_ср = (?t_б -?t_м)/2,3lg(?t_б /?t_м) = (107,64-20)/2,3lg(107,64/20) = 52,13 ^оС.

Средняя температура раствора:

t_ср = t_конд -?t_ср = 127,64 - 52,13 = 75,51 ^оС.

Расход теплоты на нагрев Q, Вт, определяем по формуле:

Q = G_нc_н(t_кип1 - t_н) ,

Q = 2,778 ^.3854,8 ^.(110,64-20) = 970630,6 Вт.

Ориентировочный расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на пучке вертикальных труб:

₂ = Nu^. л/d (11)

Где Nu - критерий Нуссельта;

л - коэффициент теплопроводности.

Определим режим течения:

Re = с^.w^.d_н/m ,

где d₂ - диаметр труб, принимаем 25*2мм;?

m = 0,31^.10^-3 Па^.с - вязкость раствора при температуре 75,51 ^оС, [1];

с=1041 кг/м³ - плотность раствора.

Подставляем значения в формулу ( ), получаем:

Re = 1041^.1^.0,021/0,31^.10^-3=72870

Режим развитый турбулентный.

Критерий Прандтля рассчитаем по формуле:

Pr = с_н ^. m/l

Здесь l₂ - 0,6 Вт/(м^.К) - коэффициент теплопроводности раствора MgCl₂ при 75,51 ^оС, [1], с_н = 3854,8 Дж/(кг^.К) - удельная теплоемкость раствора.

Pr = 3854,8^. 0,3 ^.10^-3/0,6= 1,93.

Критерий Нуссельта рассчитываем по формуле:

Nu=0,021^. Re^0,8. Pr^0,43. (Pr₂/Pr_ст)^0,25, (13)

где Pr -критерий Прандтля четыреххлористого углерода;

Pr_ст - критерий Прандтля стенки.

Задаемся (Pr/ Pr_ст )^0,25 = 1, тогда критерий Нуссельта будет:

Nu = 0,021 ^.72870^0,8.1,93^0,43.1=216,8

Тогда коэффициент теплоотдачи раствора MgCl₂ будет:

=216,8^.0,6/0,021= 6194,9 Вт/(м^2.К )

Для расчета суммы сопротивлений стенки и её загрязнений принимаем тепловые проводимости загрязнений со стороны раствора MgCl₂ и водяного пара по 5800 Вт/м^2.К, таблица ХХХ1 [1]; коэффициент теплопроводности стали_ст=46,5 Вт/м^2.К, таблица ХХVIII; тогда сумму сопротивлений рассчитываем по формуле:

=1/r_загр1+ /_ст+1/r_загр2 (15)

1/=1/(1/5800+0,002/46,5+1/5800) = 7,6 ^.10^-4 Вт/(м^2.К )

Коэффициент теплопередачи:

К = 1/(1/a₁+1/r_ст+1/a₂) = 1/(1/12000+7,6 ^.10^-4 +1/6194,9) = 996 Вт/(м²К).

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

F_р = Q/K?t_ср= 970630,6/996^.75,51 = 12,91 м².

Принимаю подогреватель с поверхностью теплообмена F=12,91 м², длина труб l=3 м, число труб n=62, наружный диаметр кожуха D=325 мм, с. 325 [1].

Размещено на Allbest.ru

...