Удельный расход пара на выпаривание 1 кг раствора без учета теплоты дегидратации и равенстве = 1 коэффициента самоиспарения во всех корпусах

6. Удельный расход пара на выпаривание 1 кг раствора без учета теплоты дегидратации и равенстве = 1 коэффициента самоиспарения во всех корпусах

 кг/кг р-ра

 

β₁ = 0, если раствор вводят в 1-ую ступень с температурой кипения.

;  – это коэффициенты самоиспарений.

;

Расход пара на 1, 2 и 3 ступени, кг/с:

, кг/с

Расходы пара можно подсчитать и следующим образом. Расчет начинаем с 3-ей ступени.

где k_зап = 1,03 – коэффициент, учитывающий потери тепла аппаратом в окружающую среду; с_нi, с_кi – теплоемкости раствора при начальной и конечной концентрации раствора в ступени аппарата (по составленной нами таблице); ∆q_Rⁱ – разность интегральных теплот растворения вещества между существующей и предыдущей концентрациями растворов.

 – количество раствора, перетекающего из одной ступени в другую. Таким образом:

 – для 1 ступени; 18000 – 3750=14250

 – для 2 ступени; 14250 – 3750=10500

 – для 3 ступени. 10500 – 3750=6750

7. Количество теплоты, передаваемой через поверхность нагрева i-го корпуса

, кВт

 3422,61 (645,13 – 116,38)=1809705 ккал/ч =2104867 Вт

8. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору

Проверка: q₃=∆t_п3*k₃=28,533*1041,2=29708

 м²

3422,61

 ккал/ч =2043364Вт

Проверка: q₂=∆t_п2*k₂=16,304*1408,1=22958

м²

3439,79

 ккал/ч=1922588 Вт

Проверка: q₁=∆t_п1*k₁=11,413*1743,5=19898

м²

9. Ориентировочные значения поверхности нагрева i-го корпуса:

Если F_i далеки друг от друга, или W₁≠D₂, а W₂≠D₃, то сделать перерасчет.

Произведем перерасчет количества воды, выпариваемой по ступеням:

в 1-ой ступени:

во 2-ой ступени:

в 3-ой ступени:

Для получения более точного значения поверхностей нагрева произведем расчет во втором приближении.

Концентрации растворов:

в 1-м корпусе

Общая разность температур находится по той же формуле, что и в первом приближении.

=99,81

Гидростатические давления растворов у середины греющих труб:

,

,

Плотности ρ_i взяты при новых концентрациях растворов по корпусам.

Давления вторичных паров по корпусам будут те же, что в первом приближении.

Давления растворов у середины греющих труб пересчитываются по известной формуле:

Далее все пересчитываем по уже известным формулам, но подставляя новые значения, полученные при пересчете.

Все полученные данные сводим в таблицу, как и при расчете в первом приближении

Наименование параметров	Обозначение	Корпус (ступень)
		I	II	III
Концентрация, вх/вых, %	b	18/22,6	22,6/30,2	30,2/48
Полезная разность температур, оС	∆tп	13,306	17,515	24,399
Температура греющего пара, оС	tн,	159,61	140,134	112,489
Температура кипения раствора у середины греющих труб	tкс	146,304	122,619	88,09
Температура кипения раствора у верхнего края труб, оС	tк	143,764	117,949	66,13
Гидростатические потери, оС	∆2	2,54	4,67	21,96
Физико-химическая дисперсия, оС	∆1	2,63	4,46	5,33
Гидравлические потери в трубопроводах, оС	∆3	1	1	1
Температура вторичного пара, оС		141,134	113,489	60,8
Давление греющего пара, атм	рГ	6,2	3,68	1,58
Энтальпия греющего пара, ккал/кг	hГ	658,59	653,07	643,85
Энтальпия конденсата, ккал/кг	hк	160,93	140,86	112,73
Давление вторичного пара, атм	рвт	3,78	1,63	0,21
Энтальпия вторичного пара, ккал/кг	hвт	653,38	644,21	623,62
Теплоемкость раствора, вх/вых, кДж/кг*град	сi	3,6/ 3,4	3,4/ 3,1	3,1/ 2
Интегральная теплота растворения, кДж/кг	qRн/qRк	-100/-120	-120/-180	-180/-215
	∆qR= qRн-qRк	20	60	35

 – для 1 ступени; 18000 – 3646,46=14353,54

 – для 2 ступени; 14353,54 – 3628,24=10725,3

 – для 3 ступени. 10725,3 – 3975,3=6750

Количество теплоты, передаваемой через поверхность нагрева i-го корпуса

, кВт

 3691,47 (643,85–112,73)=1960612 ккал/ч=2280192 Вт

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору

Проверка: q₃=∆t_п3*k₃=24,399*1040,64=25222

 м²

3691,47

 ккал/ч =2195706 Вт

Проверка: q₂=∆t_п2*k₂=17,515*1408,36=24667

м²

3685,92

 ккал/ч =2037887 Вт

Проверка: q₁=∆t_п1*k₁=13,306*1730,81=22490

м²

Средняя поверхность нагрева:

м²

Проектирование аппарата

По табл. 2.16 |7| принимаем поверхность нагрева F=80 м²; диаметр корпуса аппарата D_вн=0,8 м. Число труб в греющей камере:

,

где Н_тр – длина (высота) трубки, м. Н_тр = 3 м – подвесная камера; Н_тр = 4 м – с выносным сепаратором; d_ср – средний диаметр трубок, d = 38÷50 мм.

Произведем расчет штуцеров выпарного аппарата. Диаметр штуцера определим по формуле

,

где  – объемный расход теплоносителя, м³/сек; G – массовый расход теплоносителя, кг/ч; γ – плотность пара, кг/м³; w – скорость пара, м/сек.

Скорость пара принять 20 м/сек.

Расчеты сводим в табл.

Таблица расчетов штуцеров выпарной установки

Наименование штуцера	Расход пара, кг/ч	Давление пара, ат	Плотность, кг/м3	Секундный расход, м3/с	Скорость пара, м/с	Диаметр, мм
						расчетный	принятый
Вход греющего пара	3521	6,2	3,24	0,302	20	138	150
Выход вторичного пара………….	3685,9	4,47	2,21	0,46	20	169	170
Вход раствора	18000		1076	0,005	1	76	80
Выход упаренного раствора……….	6750		1218	0,0015	0,5	62	70

 

Расчет барометрического конденсатора

 

Определяем конечную температуру охлаждающей воды при давлении в конденсаторе ат, t_п =59,8º C, удельный объем пара u_п = 7,749 м³ /кг. Температура охлаждающей воды t^´₂ =10 ⁰С_.

Температура выходящей охлаждающей воды меньше t_п на δ = 1 – 3⁰ С; вследствие несовершенства теплопередачи принимаем δ = 3⁰ С, тогда

t^»₂ = t_п – δ = 59,8 – 3=56,8 º C.

Кратность охлаждения составляет

m = W/D = (i – t^»₂)/(t^»₂ – t^´₂) = (623,62 – 56,8)/(56,8 –10)=12,112 кг/кг

Часовой расход охлаждающей воды при количестве конденсируемого пара после 3-го корпуса составляет:

W=Dm=3691,47 ∙12,112 =44709,4 кг/ч

Диаметр конденсатора при скорости в конденсаторе ω, равной 15 м/сек:

d_к =0,0188∙√(D∙u_п/ω)=0,0188∙√(3691,47∙7,749/15)=0,79 м

Принимаем d_к =800 мм.

Согласно табл. 2–20 барометрический конденсатор имеет следующие размеры: высота конденсатора H= 5088 мм, ширина полки b= 500 мм и высота борта равна 40 мм. Число полок – 6.

Диаметр барометрической трубы определяем из расчета на пропуск смеси воды и конденсата. Из уравнения

W + D = (πd²/4)∙ω,

полагая ω = 1 м/сек, получаем:

м

Принимаем d=150 м.

Высота водяного столба, соответствующая заданному вакууму,

H₁=10,33∙B/760 = 10,33∙560/760=7,6 м

Принимаем предварительно полную высоту трубок H=9 м

Число Рейнольдса для трубок при коэффициенте кинематической вязкости воды при температуре 59,8 º C, равном ν = 0,517 м²/с

Re = ω∙d/ν = 1∙0,15∙10⁶/0,517=232 108,3

Коэффициент трения для гладких труб при значениях Re = 10⁵ - 10³ определяется по формуле Никурадзе

λ = 0,0032 + 0,221/(Re^0.237)=0.0032+0,221/(232108,3)^0,237=0,015

Потеря напора на трение и местные сопротивления в барометрической трубе

H₂= м.вод. ст.

где d и l – диаметр и длина барометрической трубы; 2,5 – коэффициент, учитывающий потери на местные сопротивления.

Полная высота трубы

H=H₁+H₂+H₃=7,6+0,18+0,5=8,28 м

где H₃= 0,5 м – поправка, учитывающая возможные колебания вакуума в конденсаторе или уровня воды в водоприемнике.

Принимаем высоту трубы Н=9 м

Определение производительности вакуум-насоса:

G_В=(0,25*(D+W)+100D)/10000=34,4 кг/ч

t_В=10+4+0,1 (59,8–10)=18,98⁰С

р_К=0,2*100000=2000 мм вд. ст.

р_П=200 мм вд. ст.

р_В=2000–200=1800 мм вд. ст.

V_В=(29,27*G_В*(273+t_В))/р_В=163,4 м³/ч=2,7 м³/мин

Принимаем ротационный водокольцевой вакуум-насос РМК-3 производительностью 5 м³/мин.

Проведем расчет выпарного аппарата на прочность.

Толщина стенок цилиндрической обечайки греющей камеры:

 см

Принимаем S=10 мм

σ_доп=1340*0,9=1206 кгс/см²==118 МПа

Толщина стенок цилиндрической обечайки сепаратора:

см

Принимаем S=10 мм

Толщина верхней крышки сепаратора:

см

Принимаем S=10 мм

Толщина крышки корпуса:

см

Принимаем S=10 мм

Толщина днища сепаратора:

H_экв=3,79/0,001071=3725,5 см=3,7 м

h=1000 мм=100 см

Н_общ=Н_экв+h=3826 см ст. жидкости

см

Принимаем S=10 мм

Проверка необходимости крепления вырезов под патрубки:

Максимально допустимый диаметр неукрепленного отверстия в греющей камере:

Вырез в греющей камере диаметром d=400 мм надо укрепить.

Максимально допустимый диаметр неукрепленного отверстия в сепараторе:

Площадь укрепления выреза для патрубка d=400 мм кольцом толщиной δ=12 мм:

F_укр= δ*d+ S*d+2*a²=12*400+10*400+2*70²=18600 мм²

Площадь отверстия выреза:

F_отв=S/0,9*(2*d-50)=10/0,9*(2*400–50)=8333,3 мм²

F_укр >F_отв

Литература

1.  П.Д. Лебедев. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. – М.: Энергия, 1972. – 320 с.

2.  А.М. Бакластов и др. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 327 с.

3.  А.М. Бакластов. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. – М.: Энергия, 1970. – 568 с.

4.  Б.Н. Голубков и др. Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1979. – 541 с.

5.  Теплотехнический справочник. Под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. Т. 1 и 2. – М.: Энергия, 1975 и 1976. – Стр. 743 и 896.

6.  Н.Б. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.

7.  П.Д. Лебедев, А.А. Щукин. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. Курсовое проектирование. – М.: Энергия. 1970. – 408 с