Расчет и проектирование выпарной установки

ω₃ = 1,35 кг/с ) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

1.5. Выбор конструкционного  материала.

Выбираем конструкционный  материал, стойкий в среде кипящего раствора MgSO₄ в интервале изменения концентраций от 10 до 30 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17 [1]. Стойкость коррозии ее менее 0,1

мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст = 25,1 Вт/(м·К).

1.6. Расчет коэффициентов  теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи  для первого корпуса К₁ определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δ_ст/λ_cт и накипи δ_н/λ_н . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

    , м²*К/Вт

Коэффициент теплопередачи  от конденсирующегося пара к стенке ά₁ равен:

где r₁ – теплота конденсации греющего пара Дж/кг; ρ_ж1; λ_ж1; μ_ж1 – соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл. = t_г1 – Δt_п1/2 , Δt_п1 – разность температур конденсации пара и стенки, град.[1],[4]

Расчет ά₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt_п1 = 2 град. Тогда:

 

t_пл = 161,92 – 2/2 = 160,92 с^º

 

ρ_ж1 = 905,08 кг/м³;       λ_ж1 = 0,6822 Вт/м·К;     μ_ж1 =171,88*10^-6 Па·с

 

r₁ = 2082,66 кДж/кг при t_г1 = 161,92 сº

 

(Вт/м²·К)

 

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; Δt₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда 

Тогда    

 

 

 

 

 

 

 

Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через многослойную стенку: 1 – пар; 2 – конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор.

Коэффициент теплопередачи  от стенки к кипящему раствору для  пленочных выпарных аппаратов находим по формуле:

,

где  физические свойства раствора берем из таблицы 3

 

Таблица 3.Физические свойства раствора MgSO₄

Параметр	Корпус
	1	2	3
Теплопроводность раствора, λ, Вт/м3 Плотность раствора, ρ, кг/м3 Теплоемкость раствора, С, Дж/кгК Вязкость, µ, Па*с Поверхностное натяжение, G, мН/м* Теплота парообразования, rв, МДж/кг Плотность пара, ρп, кг/м3	0,597 1,096 3240 0,00145 74,73 2971,6 2,23	0,594 1,159 3590 0,00191 75,39 2892,4 1,65	0,583 1,284 3840 0,0024 77,50 2461,1 0,23

 

                 q₁ ¹ q₂

 Для второго приближения  примем Δt₁ = 3,0 град. Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0 град, рассчитываем ά₁ по соотношению:

 

    

Тогда получим:

Очевидно, что q₁ ¹ 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 Δt₁ = 1,2 град.

Отсюда получим:

Как видим, q₁ » q₂ .

Если расхождение между  тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчет коэффициентов ά₁ и ά₂ заканчивают. Находим К₁:

Далее рассчитаем коэффициент  теплопередачи для второго корпуса К₂. Для этого найдем:

Для первого приближения  берем  град

 

t_пл = 146,8 – 2 = 144,8 с^º

ρ_ж2 = 921,68 кг/м³;       λ_ж2 = 0,6843 Вт/м·К;     μ_ж2 =188,52*10^-6 Па·с

r₂ = 2123,2 кДж/кг при t_г1 = 146,8 сº

       

 

 

q₂ = 17172,09

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 3 град

 

q₁ = 24468,03

 

Примем Δt₁ = 2,7 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₂:

 

Рассчитаем теперь коэффициент  теплопередачи для третьего корпуса  К₃

Примем для первого приближения 

         t_пл = 118,91 с^º

ρ_ж3 = 943,87 кг/м³;       λ_ж3 = 0,6859 Вт/м·К;     μ_ж3 =233,73*10^-6 Па·с

r₃ = 2210,1 кДж/кг при t_г1 = 123,91 сº

 

q₁ ¹ q₂

     Примем Δt₁ = 15 град

q₁ ¹ q₂

       Прием Δt₁ = 12,8 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₃:

 

1.7. Распределение  полезной разности температур. 

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

где Δt_пj, Q_j, K_j, - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j – го корпуса.

 

Проверим общую полезную разность температур установки:

Теперь рассчитаем поверхность  теплопередачи выпарных аппаратов  по формуле:

 

Сравнение распределенных из условия равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур представлено ниже:

         Таблица 4. Сравнение полезных  разностей температур

Параметры	Корпус
	1	2	3
Распределение в 1-м приближении  значения Δtп, сº	29,33	25,55	27,53
Предварительно рассчитанные значения Δtп, сº	12,07	19,2	51,13

       Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1 – м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

 

1.8. Уточненный  расчет поверхности теплопередачи.

Второе приближение. В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит в 1 – м и 2 – м корпусах, где суммарные температурные потери незначительны, во втором приближении принимаем такие же значения Δ^/, Δ^// и Δ^/// для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены в таблице 4.

 Таблица 5.Параметры  растворов и паров по корпусам

Параметры	корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде ω, кг/с Концентрация растворов  х, % Температура греющего пара в 1 – й корпус tг1, сº   Полезная разность температур Δtп, град Температура кипения  раствора tк=tг-Δtп , сº Температура вторичного пара tвп=tк-(Δ/+Δ//) , cº Давление вторичного пара Рвп , МПа Температура греющего пара tг=tвп-Δ/// , cº	0,917 12,2 161,92 29,33 132,59 130,54 0,275 -	1,059 16,6 - 25,55 103,99 101,30 0,106 129,54	1,356 30 - 27,53 72,77 58,63 0,0187 100,30

Рассчитаем тепловые нагрузки (кВт):

      

   

 

Рассчитаем для первого корпуса

Примем Δt₁ = 2,0 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 2,5 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 3,0 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₁:

Рассчитаем К для второго корпуса

Примем Δt₁ = 5 град

q₁ ¹ q₂

Примем Δt₁ = 2 град

 

 

 

 

 

 

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₂:

3 корпус

Примем Δt₁ = 5 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 2 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 2,1 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₃:

 

Распределение полезной разности температур

Проверка полезной суммарной  разности температур:

Сравнение полезных разностей  температур, полученных во 2 – м и 1 – м приближениях, приведены ниже в таблице 5.                                                                                

Таблица 6. Сравнение полезных разностей температур в 1 и 2 приближениях

Параметры	Корпус
	1	2	3
Распределение в 2-м приближении  значения Δtп, сº	29,33	25,55	27,53
Распределение в 1-м приближении значения Δtп, сº	28, 91	25,46	28,03

Различия между полезными  разностями температур по корпусам в 1 - м и 

2 - м приближениях не  превышают 5%.

Поверхность теплопередачи  выпарных аппаратов:

 

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

Номинальная поверхность  теплообмена F_н …………………………63м²;

Диаметр труб d ………………………………………………………..38*2 мм;

Высота труб Н …………………………………………………………5000мм;

Диаметр греющей камеры d_к …………………………………………600мм;

Диаметр сепаратора d_с ………………………………………………..1400мм;

Общая высота аппарата Н_а …………………………………………..12000мм;

Масса аппарата М_а …………………………………………………….5000кг.

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

 

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

где ά_в – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного

материала в окружающую среду, Вт/(м²·К):

t_ст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирается в интервале 35- 45 с^º , а для аппаратов , работающих на открытом воздухе в зимнее время – в интервале 0-10 с^º ; t_ст1 – температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной t_г1; t_в – температура окружающей среды (воздуха); λ_и – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К).

Выберем в качестве изоляции совелит (85% магнезии – 15% асбеста), имеющий  коэффициент теплопроводности λ_и = 0,09 Вт/(м·К)

Рассчитаем толщину  тепловой изоляции для 1 – го корпуса:

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,047 м и для других корпусов.

3. РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО  КОНДЕНСАТОРА

 

Для создания вакуума  в выпарных установках обычно применяют  конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 с^º). 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.