Призначення та область застосування випарного апарату з природною циркуляцією та співвісною гріючою камерою

Таблиця 5.1.1 -  Температура та ентальпія відповідно до тисків

Тиск, МПа	Температура, оС.	Ентальпія, кДж/кг.
0,15	tr1 = 111,3	2699
0,0825	tr2 = 94,3	2273,2
0,015	tб.к. = 54	2371

 

Температура вторинної  пари в сепараторі випарного апарату:

      

де Δt '—гідродинамічна депресія, яка за практичними даними лежить в діапазоні температур 0,5—1,5 К. Приймаємо, що Δt ' температура вторинної пари в сепараторі випарного апарату першого та другого корпусів, ºС:

Сума температурних  втрат внаслідок гідродинамічних  депресій, ºС:

За температурами вторинних парів їхній тиск дорівнює:

Температура, оС	Тиск, МПа	Теплота пароутворення, кДж/кг
tв.п.1 = 95,3	Pв.п.1 = 0,0856	2272,2
tв.п.2 = 55	Pв.п.2 = 0,01575	2368,2

 Таблиця 5.1.2 -  Тиск та теплота пароутворення вторинних парів [11]

Визначення  гідростатичної депресії

Тиск у середньому шарі киплячого розчину кожного корпусу визначається

за рівнянням:

де ρ_р—густина розчину кінцевої концентрації при t_кип, Н_опт—оптимальна висота рівня по водомірному склу, м:

,

де ρ_в—густина води при t_кип, H_тр – висота труб.

Для вибору величини H необхідно орієнтовно оцінити поверхню теплопередачі випарного апарату. Для апаратів із природною циркуляцією розчину можна прийняти питоме теплове навантаження q = 30000 - 50000 Вт/м², Приймемо q = 30000 Вт/м², тоді орієнтовна поверхня теплообміну дорівнює:

,

.

 

де r₁, r₂ – теплота пароутворення вторинної пари у першому та другому корпусі, Дж/кг.

За ГОСТ 119-87 приймаємо апарат із природною циркуляцією та співвісною гріючою камерою, з кипінням розчину в трубах, які мають висоту  4 м при діаметрі труб d_н = 38 мм .Площа поверхні теплообміну F=160 м² ( Приймемо висоту кип'ятильних труб H = 4 м, δ = 2 мм)

Густина водних розчинів лимонної кислоти по корпусах  дорівнює [6]:

Температура,0С	Густина, кг/м3
	Лимонна кислота	Н2О
95,3	1040,7	961,5
55	1288	985,5

 Таблиця 5.1.3 – Густина водних розчинів згідно температури

Визначаючи густини розчину в корпусах, знехтуємо зміною її з підвищенням температури до температури кипіння у зв'язку з малим значенням коефіцієнта об'ємного  розширення й  орієнтовним значенням величини.

Тиск у середньому шарі кип'ятильних труб по корпусах дорівнює [12]:  

Цим тискам  відповідають наступні температури  кипіння й теплоти випаровування розчинника [11]:

Тиск, МПа	Температура кипіння, ос	Теплота пароутворення, кДж/кг
pср1 = 0,09316	t1ср = 97,65	rВ1 = 2267
pср2=0,0333	t2ср = 71,38	rВ2 = 2329,6

Таблиця 5.1.4- Температура та теплота випаровування розчину згідно тисків

Гідростатична депресія по корпусах:

Сума гідростатичних депресій дорівнює

Визначення температурної депресії

За таблицею 5.1.5 визначаємо температури кипіння та депресії по корпусах відповідно.

Таблиця 5.1.5 – Температури кипіння та депресії по корпусах [6]

Корпус	Концентрація лимонної к-ти, %	Температура кипіння tК 0С	Депресія,
1	16,76	98	0,347
2	65	75,1	4,5

 

Температурна  депресія ∆' визначається за рівнянням:

                                     

де T - температура  пари у середньому шарі кип'ятильних труб, K,

r_a- теплота пароутворення за даної температури, кДж/кг,

- температурна депресія  при атмосферному тиску [6].

Тоді температурна депресія по корпусах дорівнює:

 

 

 

 де  ∆'_AТМ1=0,341, ∆'_AТМ2=3,71 – температурні депресії по корпусах 1 і 2 відповідно.

Сума температурних  депресій дорівнює:

 

 

Температури кипіння  розчину по корпусах:

Корисні різниці  температур по корпусах.

Сумарна корисна  різниця температур:

Перевірка сумарної корисної різниці температур:

Оскільки умова  правильності розрахунків витримана, то можемо перейти до наступного пункту.      

Визначення  теплових навантажень

 

          Таблиця 5.1.6 -  Вихідні дані для розрахунку теплових навантажень [11]

Вихідні дані для  розрахунку	Корпус
	1	2
Кількість вихідного  розчину,кг/с	1,343	1,477
Концентрація  вихідного розчину,%	10	16,76
Температура вихідного  розчину,0С	96,3	98
Температура упареного  розчину,0С	98	75,1
Теплоємність вихідного розчину,Дж/(кг∙К)	4275	4095
Питома ентальпія вторинного пару, Дж/кг	2665,4	2598,7
Питома ентальпія конденсату, кДж/кг	461,3	385,1

 

Витрату гріючої пари в 1-ій корпус, продуктивність кожного корпусу по випарюваній воді та теплові навантаження на корпуси визначаємо шляхом вирішення рівнянь теплових балансів та рівнянь балансу по випарюваній воді для всієї установки:

де Q₁, Q₂  – теплові навантаження по корпусах, кВт;

D - витрата гріючої  пари в 1-ій корпус, кг/с;

1,03 - коефіцієнт, що враховує  втрат тепла в  навколишнє середовище;

I_вп1,  I_вп2 – ентальпії вторинних парів по корпусах, кДж/кг;

При вирішенні рівнянь балансу можна приймати, що

I_вп1 ≈ I_гп2;   

i_вп1, i_вп2 – энтальпії конденсату по корпусах, кДж/кг;

С_В – теплоємність води кДж/кг ^.;

С_Н, C₂ – відповідно, теплоємність розчину початкової концентрації в першому корпусі та інших корпусах, кДж/кг, [3];

Q_1к, Q_2к– теплоти концентрування по корпусах, кВт;

t_н – температура кипіння вихідного розчину при тиску в 1-му корпусі, ^оС.

,

де ∆₁'=1 - температурна депресія для вихідного розчину.

Вирішення системи рівнянь дає наступні результати:

w₁=1,424 кг/с      w₂= 1,396  кг/с      D = 1,46 кг/с

Теплові навантаження по корпусах:

Висновок: найбільше відхилення обчислених навантажень по випарюваній воді, у кожному з корпусів від попередньо прийнятих (w₁ = 1,477 кг/с, w₂ = 1,343 кг/с) не перевищує 3%, тому в подальших розрахунках не будемо робити перерахунок концентрацій і температур кипіння розчинів по корпусах.

 

Розрахунок  коефіцієнтів теплопередачі

Вихідні дані: наведено в таблиці 5.1.7.

Таблиця 5.1.7 - Фізичні властивості киплячих розчинів і парів по корпусах [6, 11]

Найменування  параметра	1-й корпус	2-й корпус
Температура, 0С	98	75,1
Концентрація, %	16,76	65
Теплопровідність  розчину, λ, Вт/м.	0,6145	0,7574
Густина розчину, ρ, кг/м3	1039	1277,2
Теплоємність  розчину, C, Вт/кг . К	4095	2665,2
В'язкість розчину, μ, Па . с	0,353. 10-3	3,034. 10-3
Поверхневий натяг, σ, Н/м	0,0585	0,0423
Теплота пароутворення, rВ, Дж/кг	2266,3 ∙103	2321 . 103
Густина пари при 1 атм., ρ0, кг/м3	0,579
Густина пари, ρп, кг/м3	0,552	0,2416

 

Розрахунок  коефіцієнта теплопередачі в  першому корпусі.

Розраховуємо сумарний термічний опір стінки та накипу :

                         _,

при цьому не враховуємо термічний опір забруднень з боку пари.

Коефіцієнт  тепловіддачі від пари, що конденсується  до стінки α₁ дорівнює [10]:

,                                                                                                                                 

де r₁ – теплота конденсації гріючої пари Дж/кг; ρ_Ж1, λ_Ж1, μ_Ж1 -  відповідно, густина (кг/м³), теплопровідність (Вт/м ^. К), в'язкість (Па^.с) конденсату при середній температурі плівки t_ПЛ:

∆t₁ – різниця температур конденсації пари й стінки, ^oС.

Розрахунок К₁ ведемо методом послідовних наближень.

1-е наближення

Приймемо - ∆t₁ = 2 ⁰C, тоді

Перевіряємо правильність першого наближення по рівності питомих теплових навантажень:

Для стаціонарного  процесу передачі тепла справедливо

                                                                                                             

                                                                                        

де q – питоме теплове навантаження, Вт/м²;

∆t_ст – перепад температур на стінці, град;

∆t₂ – різниця між температурою стінки з боку розчину й температурою кипіння розчину, ^оС

          1 – пара; 2 – конденсат; 3 – стінка; 4- накип; 5 – киплячий розчин.

          Рисунок 5.1 – Розподіл температур в процесі теплопередачі від пари до киплячого розчину через стінку [10]

 

Тоді

Коефіцієнт  тепловіддачі від стінки до киплячого  розчину для режиму бульбашкового  кипіння у вертикальних трубках  за умови природної циркуляції розчину дорівнює [10]:

 

 

Оскільки q₁ ≠ q₂ зробимо друге наближення       

     

2-е наближення

 

Після ряду обчислень  приймемо ∆t₁ = 2,05 ^оC. Фізичні властивості розчину залишаємо незмінними, тоді