Расчёт трёхкорпусной выпарной установки

 

Рассчитаем  тепловые нагрузки (в кВт):

Q₁ = 1,03 ∙[5,55∙4,06∙(140,96–137,07) + 1,436∙(2741,3 – 4,19∙140,96)] =3270,4 кВт;

Q₂ = 1,03∙[4,114∙4,02∙(99,15–140,96) + 1,651∙(2677,6 – 4,19∙99,15)] =3155,0 кВт;

Q₃ = 1,03∙[2,436∙3,905∙(35,24–99,15)+1,9885∙(2561,4 – 4,19∙35,24)]=4493,4 кВт.

Расчет коэффициентов  теплопередач выполняются тем же методом описанным выше. Из физических характеристик меняются те, которые  зависят от Т_вп, они приведены в таблице 8.

Таблица 8 –  Физические характеристики

Параметр	Корпус
	1	2	3
Вязкость раствора μ,	0,200	0,298	0,840
Поверхностное натяжение σ, Н/м	0,0513	0,0597	0,0714
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2158,8	2272,9	2429,8
Плотность пара ρн, кг/м3	1,82	0,504	0,027

 

Коэффициент теплопередачи  для первого корпуса К₁ .

t_пл=t_г1-Δt₁/2=177,2-12,5/2=170,95°С;

Тогда при t_пл= 170,95°С:

     r₁ =2052,5·10³ Дж/кг;

     ρ_ж1=896,0 кг/м³;

    λ_ж1=0,679 Вт/(м·К);

    μ_ж1 =0,162·10^-3 Па с

  ^;

 ^°С;

Δt₂=36,23-12,5-18,66=5,08^оС;

 

^;

= 5201,55 = 65019,4 Вт/м²;           

= 13083,9∙5,08= 66466,5 Вт/м².

Как видим, . Определим К₁:

 

Коэффициент теплопередачи  для второго корпуса К₂ .

t_пл=t_г2-Δt₁/2=136,07-12,3/2=129,92°С;

Тогда при t_пл= 129,92°С:

     r₂ =2179,0·10³ Дж/кг;

     ρ_ж2=935,0 кг/м³;

    λ_ж2=0,686 Вт/(м·К);

    μ_ж2 =0,212·10^-3 Па с

  ^;

 ^°С;

Δt₂=36,94-18,03-12,3=6,61^оС;

^;

= 5107,9 = 62827,2 Вт/м²;           

= 9374,25∙6,61= 61967,1 Вт/м².

Как видим, . Определим К₂:

 

Рассчитаем коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К₃

t_пл=t_г3-Δt₁/2=94,05-22,2/2=82,95°С

Тогда при t_пл= 82,95°С:

     r₃ =2302,2·10³ Дж/кг;

     ρ_ж3=969,9 кг/м³;

    λ_ж3=0,676 Вт/(м·К);

    μ_ж3 =0,343·10^-3 Па с

;

 ^°С;

Δt₂ = 59,81-25,42-22,2=12,19 ^оС;

;

=3990,6∙22,2= 88591,6 Вт/м²;          

= 7253,2∙12,19= 88416,4 Вт/м².

Как видим, . Найдем К₃:

  .

 

Распределение полезной разности температур:

= 36,88 °С;

= 60,12°С.

Проверка суммарной полезной разности температур:

∑

35,99+36,88+60,12=132,99 °С.

Сравнение полезных разностей температур , полученных во втором приближении, приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Сравнение полезных разностей температур

Корпуса	1	2	3
Распределённые  во 2-м приближении	35,99	36,88	60,12
Распределённые  в 1-м приближении	36,24	36,94	59,81

 

Различия в  полезных разностях температур по корпусам из 1-го и 2-го приближения не превышают 5 %. В случае, если это различие более 5 %, необходимо выполнить следующее 3-е приближение, в основу расчёта которого принять по корпусам для 2-го приближения, и так далее до совпадения полезных разностей температур.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

 м²;

 м²;

 м²;

По каталогу (ГОСТ 11987-81) выбираем выпарной аппарат  со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность  теплообмена Fн	63м2
Действительная  поверхность теплообмена Fд	50,43 м2
Диаметр труб d	38×2 мм
Высота труб Н	6000 мм
Диаметр греющей  камеры dк	600 мм
Диаметр сепараторов dc	1600 мм
Общая высота аппарата На	19500 мм
Масса аппарата Ма	9500 кг

 

1.1.9 Определение толщины тепловой изоляции

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

,     (92)

где    – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м² К) ;

 – температура изоляции со стороны воздуха, °С; Для аппаратов, работающих внутри помещения выбирают в пределах 35 ÷ 45 ºС, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время – в интервале 0 ÷ 10 ºС.;

 – температура изоляции со стороны аппарата, ºС (температуру t_ст1 можно принимать равной температуре греющего пара, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции);

 – температура окружающей среды (воздуха), ºС;

 – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК).

В качестве изоляционного  материала выбираем совелит, который  содержит 85% магнезии и 15 % асбеста. Коэффициент  теплопроводности совелита

 Вт/(м*К)

Толщина тепловой изоляции для первого корпуса:

  

                    (93)

 

Такую же толщину  тепловой изоляции принимаем для  второго и третьего корпусов.

 

      2. Расчет теплообменных аппаратов     

 

       Тепловой расчет греющего пара

       Температурная схема

                   190→190

                    160←30

       ∆t_б=30             ∆t_м=160

 

Средняя разность температур

 

             (94)

 

Средняя температура KOH = 95

                                                                                           (95)

                          

       р=995 м³/с – плотность KOH при концентрации =2

 

Определение тепловой нагрузки:

(Вт)   (97)

Расход пара:

                                                                        (98)

Горячая жидкость при средней  температуре имеет следующие физико-химические характеристики: μ₁=0,03016 Па с, кг/м³, С₁ =4106,2  Дж/кгК.

 

Приняли ориентировочный теплообменник по ГОСТ 15118-79

Диаметр, D, мм         400

Поверхность теплообмена, F,м²      80

Число ходов         1

Общее число  труб, шт        111

 

_{Коэффициент теплоотдачи для  сырья.}

_{Уточняем  Re:}

 

Режим движения сырья – турбулентный.

Вычислим критерий Прандтля для сырья

,     (72)

.

Коэффициент теплоотдачи  от сырья к стенке

α=(0,517/0,021)*0,021*23340^0,8*(2,17)^0,43=2252,4 Вт/(м²*К)

 

Рассчитываем  коэффициент теплоотдачи для  водяного пара:

          _{Принимаем тепловую  проводимость греющего  пара ≈5800Вт/(м²*К)}

_{Коэффициент теплопроводности стали  Вт/м*К табл. XXXVI [Павлов]}

_Тогда

           _{1/Σrст=1/(1/5800+0,002/46,5+1/5800)=2580Вт/(м²*К)}

_{Коэффициент теплопередачи}

 

_{Требуемая площадь поверхности  теплообмена:}

 _м²

_{Запас площади поверхности  теплообмена:}

_{Запас площади поверхности  теплообмена достаточен.}

Приняли кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15118-79

Диаметр, D, мм        600

Поверхность теплообмена, F,м²     80

Число ходов        1

Длина труб, м        4,0

Общее число  труб, шт       154

Диаметр труб, мм       25*2

 

 

 

 

2.1 Расчет пластинчатого теплообменника

 

Предназначен  для нагрева раствора KOH

 

Приняли по ГОСТ 15518-78

Тип пластины         0,5

Размер пластины, м:

Длина          1370

Ширина          500

Толщина          1

Эквивалентный диаметр канала, м      0,0080

Площадь сечения  канала, м²                0,0018

Приведенная длина  канала, м       1,15

Количество  пластин, шт       154

Число последовательно  соединенных пакетов определили

                                             =

             =0,01*((20000*(0,0018)²*(154)²)^0,33/(0,01)²=2,35

Число ходов  z=3

Число каналов  в одном пакете

1)для пара

        m₁=n/2z=154/2*3=25,67

2)для раствора

       m₂=((n/2)-1)/z = (154/2-1)/3=25,33

 

Площадь сечения  пакетов

f₁=m₁f=25,67·0,0018=0,046 м²

f₂=m₂f=25,33·0,0018=0,046 м²

w₂=11,67/(995·0,046)=0,25 м/с

 

Критерий Re для раствора

               Re=(0,25*0,008*995)/(0,3016*10^-3)= 6598

 

Критерий Прандля  для раствора

          Pr=(0,3016*10^-3*4106,2)/0,58 = 2,12

 

Коэффициент теплоотдачи  для раствора

     α=( 0,58/0,008)*0,0978*(6598)^0,73*(2,12)^0,43=6013 вт/(м²*К)

 

Критерий Re для  пара определили

             Re=(3,14*1,15)/(80*0,3016*10^-3 )= 150

 

Критерий Pr для пара

             Pr=((0,3016*10^-3)*4480)/0,67 = 2

 

Следовательно

           α= (0,67/1,15)*322*2^0,4*150^0,7=8224,7

          Σr =0,635*10^-3

 

Коэффициент теплопередачи

                     K₂ = 1/(1/6013+0,635*10^-3+1/8224,7)=1111

_{Проверим  правильность принятого  допущения относительно ∆t}

_{∆t=∆tср*К/α2=78,3*1111/8224,7=10,5 ⁰С}

 

Поверхность теплообмена

                     F=6229516/78,3*1111 = 71,6 м²

 

Определяем  площадь поверхности запаса:

                    

 

Приняли по ГОСТ пластинчатый теплообменник со следующими характеристиками

Площадь теплообмена, м²       80

Число пластин, шт        154

Площадь одной  пластины       0,5

Эквивалентный диаметр канала, м      0,0080

Поперечное  сечение клапана, м²      0,0018

Диаметр условного  прохода, мм      150

Приведенная длина  канала, м       1,15

Масса аппарата         2040

 

Определяем  скорость жидкости в штуцерах:

Определяем  коэффициент трения:

Для однопакетной компоновки пластин Z=5 гидравлическое сопротивление

Сопоставим  заданный напор с расчётным гидравлическим сопротивлением: 20000/15175>1. Как видим, действительное гидравлическое сопротивление находится в пределах принятого значения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                              Заключение

 

Выполнили расчеты  нахождения коэффициентов теплопередачи процесса выпаривания. Они равны: К₁=1120, К₂=1111,

В результате выбрали по ГОСТ 11987—81 [1, с. 183] выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность  теплообмена Fн	25 м2
Диаметр труб d	38*2 мм
Высота труб H	6000мм
Диаметр греющей  камеры dк	600мм
Диаметр сепаратора dc	1000мм
Диаметр циркуляционной трубы	300мм
Общая высота аппарата Hа	12500мм
Масса аппарата Mа	3000кг

 

Затем провели  расчеты теплообменных аппаратов. Выбрали кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15118-79

Диаметр, D, мм        600

Поверхность теплообмена, F,м²     80

Число ходов        1

Длина труб, м        1,37

Общее число  труб, шт       154