Курсовая. 4 раздел. 4 Расчёт выпарного аппарата Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
 Скачать 100.1 Kb.
|
 4 Расчёт выпарного аппарата4.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:  Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур  необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.Первое приближение Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:  где GH — расход исходного раствора, кг/с; хК, хН — массовые доли растворенного вещества в упаренном и исходном растворах, кг/кг. GH = 50000/3600 = 13.89 кг/с, хК = 0,36 кг/кг, хН = 0,085 кг/кг – по заданию. Подставив, получим:  4.1.1. Концентрации упариваемого раствора Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением  где w1, w2 — производительность по упариваемой воде каждого корпуса аппарата, кг/с. Тогда    Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:    Концентрация раствора в последнем корпусе  соответствует заданной концентрации упаренного раствора  .4.1.2. Температуры кипения растворов Давление греющего пара равным 1 МПа (согласно возможным приближениям) Общий перепад давлений в установке равен:  В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:    Давление пара в барометрическом конденсаторе  что соответствует заданному значению  .По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1]:
При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации. Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь  от температурной ( и гидродинамической ( ) депрессий ( ).Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают  градус на корпус. Примем для каждого корпуса  Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ˚С) равны:   Сумма гидродинамических депрессий  По температурам вторичных паров определим их давления и энтальпии. Они равны соответственно (в МПа) и (кДж/кг):       Давление в среднем слое кипящего раствора  каждого корпуса определяется по уравнению где: H — высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ — плотность кипящего раствора, кг/м3; ε — паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/м3. Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата  . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляций  . Примем  . Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна: где  — теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг; Q1 – ориентировочная тепловая нагрузка, Вт. Выбираем по [1] приложение 4.2 выпарной трубчатый аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой, поверхность теплопередачи 125 м2, высота кипятильных труб Н = 6 м при диаметре d = 38 х 2 мм, тип насоса ОХГ6-46Г производительностью 0,693 м3/с. При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет  . Примем  Плотность водных растворов, в том числе раствора MgCl2 [3] (см. Приложение 4.3), при температуре 18 ˚С и соответствующих концентрациях в корпусах равна: При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 18 °С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε. Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:    Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:
Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °С ):    Сумма гидростатических депрессий  Температурную депрессию  определим по уравнению+ где Т — температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;  — температурная депрессия при атмосферном давлении [3] (см. Приложение 4.4).Находим значение по корпусам (в °С):   Сумма температурных депрессий  Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °С):    В аппаратах с вынесенной зоной кипения как с принудительном, так и с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в греющих трубках предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по сравнению с температурой кипения на верхнем уровне раздела фаз. Поэтому температуру кипения раствора в этих аппаратах также определяют без учета гидростатических температурных потерь  . Перегрев раствора  может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для i-го корпуса записывается в следующем виде: где М — производительность циркуляционного насоса (в кг/с), тип которого определяют по каталогу для выпарного аппарата с поверхностью теплопередачи Fор; сн, сВ — теплоемкость раствора и воды соответственно, кДж/(кг∙К); tK — температура кипения раствора в корпусе аппарата,0С; ω — производительность каждого корпуса по выпариваемой воде, кг/с; IВП — энтальпия вторичного пара, кДж/кг. Для первого корпуса  — это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника-подогревателя.В аппаратах с принудительной циркуляцией циркуляционные насосы обеспечивают высокоразвитый турбулентный режим при скоростях раствора в трубках ν = 2,0- 2,5 м/с. Масса циркулирующего раствора равна  Здесь S — сечение потока в аппарате (м2), рассчитываемое по формуле  где dвн — внутренний диаметр труб, м; Н — принятая высота труб, м.  Скорость циркуляции рассчитывается по формуле :  где S – сечение потока в аппарате, м2; QV – производительность циркуляционного насоса, м3/с.  Масса циркулирующего раствора:    Определим перегрев раствора в корпусах (˚С):    4.1.3. Полезная разность температур Общая полезная разность температур равна:  Полезную разность температур в каждом корпусе можно рассчитать по уравнению     Общую полезную разность температур выпарных установок с аппаратами с вынесенной зоной кипения нужно определять по выражению  4.1.4. Определение тепловых нагрузок 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:     где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду; С1, С2, С3 — теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, кДж /(кг*К) [3]; Q1 конц, Q2 конц, Q3 конц — теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tH— температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; tH = tвп 1 +  ; = 167,3 + 1,0 = 168,3 °С (где — температурная депрессия для исходного раствора); при решении уравнений (4.8) — (4.11) можно принять Получим систему уравнений:     Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:  
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (  ,  ,  ) не превышает 3 % , поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.4.1.5. Выбор конструкционного материала Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора MgCl2 в интервале изменения концентраций от 11 до 36 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки 10X17H13M2T. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности  = 14,7 Вт/(м-К).4.1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:  где α – коэффициент теплоотдачи;  – суммарное термическое сопротивление,  ;Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки  и накипи  . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим: где ст/ст — термическое сопротивление стенки, м2К/Вт; н/н — термическое сопротивление накипи, м2  К/Вт; λСТ — коэффициент теплопроводности стенки из нержавеющей стали, Вт/(м·К); δСТ — толщина стенки, м; λН — коэффициент теплопроводности накипи, Вт/(м·К); δН — толщина накипи, м. λСТ = 14,7 Вт/(м·К), λН = 2 Вт/(м·К) – по [5] таблица 19; δСТ = 0,002 м. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке α1 равен:  где r1 — теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; ρж1, 𝜆ж1, μж1 — соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность Вт/(м К), вязкость (Па с) конденсата при средней температуре пленки. (4.20)где  — разность температур конденсации пара и стенки, град.Расчет α1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем =2,0 град. Тогда:  Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение  где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;  — перепад температур на стенке, град;  — разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.Отсюда  Тогда   Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии принудительной циркуляции раствора [7] равен  где λ — теплопроводность раствора, Вт/(м К); ρ — плотность раствора, кг/м3; μ — вязкость раствора, Па∙с; с — теплоемкость раствора, Дж/(кг∙К); r — теплота парообразования, кДж/кг  Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:   Как видим,  Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%. Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2. Для этого найдем:         Как видим, Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%. Рассчитаем теперь коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К3:         Как видим, Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%. 4.1.7. Распределение полезной разности температур Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:  где  ,  ,  — соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для i-го корпуса.Подставив численные значения, получим:     Проверим общую полезную разность температур установки:   Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (4.1):    Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур представлено ниже:
Второе приближение 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 условий равенства поверхностей теплопередачи аппаратов. 4.1.8. Уточненный расчет поверхности теплопередачи В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения  для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:
Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):    Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м2 К )]: K1=1628; K2 = 1528; K3= 1439.Распределение полезной разности температур:     Проверка суммарной полезной разности температур:  Сравнение полезных разностей температур , полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено ниже:
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 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками.
4.2 Определение толщины тепловой изоляции Толщину тепловой изоляции  находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду: где  =9,3+0,058 tст2 — коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2 К) [7];  — температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирают в интервале 35—45 °С, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время — в интервале 0— 10 °С;  — температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимают равной температуре греющего пара  ; tв — температура окружающей среды (воздуха), °С;  — коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м .Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:  В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + + 15% асбеста) , имеющий коэффициент теплопроводности = 0,09 Вт/(м К). Тогда получим  Принимаем толщину тепловой изоляции 0,054 м и для других корпусов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
179,8
, ˚С
˚С
, ˚С