Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов 6

2. Расчет концентраций упариваемого раствора 6

3. Определение температур кипения растворов 7

4. Расчет полезной разности температур 8

5. Определение тепловых нагрузок 8

6. Выбор конструкционного материала 11

7. Расчет коэффициентов теплопередачи 11

8. Распределение полезной разности температур 18

9. Уточненный расчет поверхности теплопередачи 19

10. Определение толщины тепловой изоляции 25

11. Расчет барометрического конденсатора 27

12. Определение расхода охлаждающей воды 27

13. Расчет диаметра барометрического конденсатора 27

14. Расчет высоты барометрической трубы 27

15. Расчет производительности вакуум-насоса 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 30

1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

2. Расчет концентраций упариваемого раствора

Первое приближение при расчете.

Производительность установки по выпариваемой воде определим по формуле

(1)

В первом приближении на основании практических данных, принимаем следующее распределение производительности по выпариваемой воде по корпусам

W₁ : W₂ : W₃ = 1,2 : 1,1 : 1,0

Тогда

(2)

(3)

(4)

Далее рассчитаем концентрацию расходов по корпусам

(5)

(6)

(7)

Расчет выполнен верно.

3. Определение температур кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен

(8)

где Р_Г₁ - давление греющего пара в первом корпусе, МПа

Р_БК - давление греющего пара в барометрическом конденсаторе, МПа

Давление греющих паров в корпусах

(9)

Расчет выполнен верно.

Таблица 1 Температуры и энтальпии греющих паров

Давление, МПа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг	Теплота парообразования, кДж/кг
Р_Г₁ = 6,797	t_Г₁ = 284	I_Г₁ = 2776	r_Г₁ = 1519
Р_Г₂ = 4,558	t_Г₂ = 257	I_Г₂ = 2798	r_Г₂ = 1675
Р_Г₃ = 2,319	t_Г₃ = 219	I_Г₃ = 2800	r_Г₃ = 1858
Р_БК = 0,0797	t_БК = 93	I_БК = 2666	r_БК = 2274

Определим температуру вторичных паров по формуле

(10)

(11)

(12)

где ∆''' = 1°C - величина гидродинамической депрессии на корпус.

Сумма гидродинамических депрессий составляет

(13)

Таблица 2 Давление и теплота парообразования вторичных паров

Температура, °С	Давление, МПа	Энтальпия, кДж/кг	Теплота парообразования, кДж/кг
t_ВП₁ =258	Р_ВП₁ =4,558	I_ВП₁ =2798	r_ВП₁ =1675
t_ВП₂ =220	Р_ВП₂ =2,319	I_ВП₂ =2800	r_ВП₂ =1858
t_ВП₃ =94	Р_ВП₃ =0,080	I_ВП₃ =2666	r_ВП₃ =2274

Поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочная

(14)

где q =80000 Вт/м² - удельная тепловая нагрузка с естественной циркуляцией

По ГОСТ 11987-81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшая поверхность -200 м². /3/

Выбираем греющие трубы размером Ø38 мм, толщина стенки δ = 2 мм, длина труб (высота) Н = 4 м.

Плотность раствора по корпусам определим по справочнику /1/

при этом кг/м³

Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов

(15)

где Рвп - давление вторичных паров, МПа

Н - высота кипятильных труб в аппарате, м

ε - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³

Принимаем ε = 0,5.

Тогда

МПа

Таблица 3 Температура кипения и теплота парообразования

Давление, МПа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг	Теплота парообразования, кДж/кг
Р_СР₁ =4,573	t_СР₁ =258	I_СР₁ =2797	r_СР₁ =1668
Р_СР₂ =2,328	t_СР₂ =220	I_СР₂ =2800	r_СР₂ =2853
Р_СР₃ =0,089	t_СР₃ =75	I_СР₃ =2670	r_СР₃ =2266

Определим гидростатическую депрессию по корпусам

(16)

(17)

(18)

Сумма гидростатических дипрессий составляет

(19)

Температурную депрессию определим по формуле

(20)

где ∆_АТМ '- температурная депрессия при атмосферном давлении, град. /5/

Х₁ = 97,0 % при этом ∆_АТМ₁' =12,5 °С

Х₂ = 17,1 % при этом ∆_АТМ₂' =1,9 °С

Х₃ = 9,7 % при этом ∆_АТМ₃' =0,8 °С

Тогда

°С

Сумма температурных дипрессий составляет

∑∆' = ∆₁' + ∆₂' + ∆₃' (21)

∑∆'= 22,7 + 4,0 + 0,7 = 27,4 °С

Тогда температура кипения растворов в корпусах составит

t_К₁ = t_Г₂ + ∆₁' + ∆₁'' + ∆₁''' (22)

t_К₁= 257 + 22,7 + 0 + 1= 280,73 °С

t_К₂ = t_Г₃ + ∆₂' + ∆₂'' + ∆₂''' (23)

t_К2= 219 + 4,0 + 0 + 1= 224,03 °С

t_К₃ = t_БК + ∆₃' + ∆₃'' + ∆₃''' (24)

t_К3 = 93 + 0,7 + 2 + 1 = 96,69 °С

4. Расчет полезной разности температур

Полезные разности температур по корпусам составляют

∆t_П₁ = t_Г₁ - t_К₁ (25)

∆t_П₁ = 284 - 280,73 = 3,27 °С

∆t_П₂ = t_Г₂ - t_К₂ (26)

∆t_П₂ = 257 - 224,03 = 32,97 °С

∆t_П₃ = t_Г₃ - t_К₃ (27)

∆t_П₃ = 219 - 96,69 = 122,31 °С

Общая полезная разность температур

∑∆t_П = ∆t_П₁ + ∆t_П₂ + ∆t_П₃ (28)

∑∆t_П = 3,27+32,97+122,31= 158,56 °С

Проверим общую полезную разность температур

∑∆t_П = t_Г₁ - t_БК - (∑∆' + ∑∆'' + ∑∆''') (29)

∑∆t_П = 284 - 93 - (27,4 + 2,0 + 3) = 158,56 °С

Расчет выполнен верно.

5. Определение тепловых нагрузок

Уравнение тепловых балансов по корпусам выглядит так

Q₁= D ∙ (I_Г₁ – i₁) = 1,03 ∙ [(G_H – W₂ – W₃) ∙ C₂ ∙ (t_K₁ – t_K₂) + W₁ ∙ (I_ВП₁ – С_В ∙ t_K₁) + Q₁_КОНЦ] (30)

Q₂ = W₁ ∙ (I_Г₂ - i₂) = 1,03 ∙ [(G_H - W₃) ∙ C₃ ∙ (t_K₂ - t_К₃) + W₂ ∙ (I_ВП₂ - С_В ∙ t_K₂) + Q₂_КОНЦ] (31)

Q₃ = W₂ ∙ (I_Г₃ – i₃) = 1,03 ∙ [G_H ∙ C_H ∙ (t_K₃ – t_H) + W₃ ∙ (I_ВП₃ – С_В ∙ t_K₃) + Q₃_КОНЦ] (32)

W = W₁ + W₂ +W₃ (33)

W=25,0

где 1,03 - коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду

С - теплоемкости растворов начальной концентрации и в корпусах

D - расход греющего пара в первом корпусе, кг/с

Q_КОНЦ - теплота концентрирования по корпусам (принимаем равным 0).

t_Н - температура кипения исходного раствора в первом корпусе

Принимаем:

(I_Г - i) = r_Г

(I_ВП - С_В ∙ t_K) = r_ВП

Окончательно уравнения выглядат так

D ∙ r_Г₁ = 1,03 ∙ [(G_H -W₂ - W₃) ∙ C₂ ∙ (t_K₁ - t_K₂) + W₁ ∙ r_ВП₁] (34)

W₁ ∙ r_Г₂ = 1,03 ∙ [(G_H -W₃) ∙ C₃ ∙ (t_K₂ - t_К₃) + W₂ ∙ r_ВП₂]

W₂ ∙ r_Г₃ = 1,03 ∙ [G_H ∙ C_H ∙ (t_K₃ - t_H) + W₃ ∙ r_ВП₃]

W = W₁ + W₂ + W₃ = 25,0

Теплоемкость водного раствора вычислим по формуле

С = 4,19 ∙ (1 - Х) (33)

С₂ = 4,19 ∙ (1 - 0,171) = 3,479 кДж/кг∙К

С₃ = 4,19 ∙ (1 - 0,097) = 3,787 кДж/кг∙К

С_Н = 4,19 ∙ (1 - 0,070) = 3,902 кДж/кг∙К

Температура кипения исходного раствора в первом корпусе

t_Н = t_ВП₁ + ∆_H' (34)

t_Н = 258 + 4,63 = 262,63 °С

Температурную депрессию определим по формуле

(35)

где ∆_АТМ' - температурная дипрессия при атмосферном давлении, град.

Х_Н = 7,0 % при этом ∆_НАТМ' = 1,4 °С

Тогда

°С

Подставим известные величины в уравнения и решим систему уравнений относи-

тельно производительности по испаряемой воде

D ∙ 1519 = 1,03 ∙ [ (26,9 - W₂ - W₃) ∙ 3,479 ∙ (280,73 - 224,03) + W₁ ∙ 1675]

W₁ ∙ 1675 = 1,03 ∙ [ (26,9 - W₃) ∙ 3,787 ∙ (224,03 - 96,69) + W₂ ∙ 1858]

W₂ ∙ 1858 = 1,03 ∙ [26,9 ∙ 3,902 ∙ (96,69 - 262,63) + W₃ ∙ 2274]

W₁ + W₂ + W₃ =25 (36)

Упростим уравнения

1519 ∙ D = 1725,3 ∙ W₁ - 203,16 ∙ W₂ - 203,16 ∙ W₃ + 5474,1

1675 ∙ W₁ = 1913,7 ∙ W₂ - 496,7 ∙ W₃ + 13384,4

1858 ∙ W₂ = 2342,2 ∙ W₃ - 17971,4

W₁ + W₂ + W₃ = 25,0

W₃ = 0,7933 ∙ W₂ + 7,6728

W₁ = 0,9073 ∙ W₂ + 5,7152

1519 ∙ D - 1725,3 ∙ W₁ + 203,16 ∙ W₂ + 203,16 ∙ W₃ = 5474,1

0,9073 ∙ W₂ + 5,7152 + W₂ + 0,7933 ∙ W₂ + 7,6728 = 25,0

Отсюда

W₁ = 9,616 кг/с

W₂ = 4,300 кг/с

W₃ = 11,084 кг/с

D = 12,468 кг/с

Проверим правильность решения уравнения

W₁ + W₂ + W₃ = 25,0 кг/с (37)

9,616 + 4,300 + 11,084 = 25,0 кг/с

Расчет выполнен верно.

Определим тепловые нагрузки

Q₁ = D ∙ r_Г₁ (38)

Q₁= 12,468 ∙ 1519 = 18939 кВт

Q₂ = W₁ ∙ r_Г₂ (39)

Q₂= 9,616 ∙ 1675 = 16107 кВт

Q₃ = 4,300 ∙ 1858 = 7989,1 кВт

Полученные параметры сведем в таблицу 4.

Таблица 4 Параметры растворов и паров по корпусам

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Производительность по испаряемой воде W, кг/с	9,616	4,300	11,084
Концентрация растворов Х, %	97,0	17,09	9,7
Давление греющих паров Р_Г, МПа	6,797	4,558	2,319
Температура греющих паров t_Г, °С	284	257	219
Температурные потери ∑∆, °С	23,73	5,03	3,69
Температура кипения раствора t_К, °С	280,73	224,03	96,69
Полезная разность температур ∆t_П, °С	3,27	32,97	122,31

6. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора в интер-вале изменения концентрации от 5% до 40%. В этих условиях лучше всего подходит

сталь марки Х17, имеющая скорость корозии менее 0,1 мм в год, коэффициент теплопро-

водности λ = 25,1 Вт/м∙К.

7. Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи первого корпуса определим по уравнению

₍₄₀₎

где α₁, α₂ - коэффициенты теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке и от кипящего раствора к стенке, Вт/м²∙К

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К

Суммарное термическое сопротивление определим по формуле

м²∙К/Вт (41)

где δ_СТ/λ_СТ, δ_Н/λ_Н - термическое сопротивление стенки и накипи, сопротивление загряз-

нений со стороны пара не учитываем.

δ_СТ = 0,002 м - толщина стенки трубы

δ_Н = 0,0005 м - толщина накипи

λ_Н = 2,42 Вт/м∙К - теплопроводность накипи

Рисунок 1 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 конденсирующего пара к стенке определим по

Формуле

(42)

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг

ρ_ж₁, λ_ж₁, μ_ж₁ - соответствено плтность (кг/м³), теплопроводность (Вт/м∙К), вязкость

конденсата при средней температуре пленки (Па∙с) /1/

Средняя температура пленки

43)

где ∆t₁ - разность температур конденсата пара и стенки, град.

Расчет α₁ ведут методом последовательных приближений.

1-е приближение

Принимаем ∆t₁ = 0,5 °С и проверим правильность первого приближения по равен-ству удельных тепловых нагрузок.

Средняя температура пленки

°С

Таблица 5 Физические свойства конденсата при средней температуре

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Теплота конденсации греющего пара r_Г, кДж/кг	1512	1668	1858
Плотность конденсата ρ_ж, кг/м³	743,2	786,9	840,3
Теплопроводность конденсата λ_ж, Вт/м∙К	0,572	0,608	0,648
Вязкость конденсата μ_ж, Па∙с ∙ 10^-3	0,092	0,103	0,122

Коэффициент теплопередачи от пара к стенке составит

Для установившегося процесса передачи тепла запишем

(44)

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²

∆t_СТ - перепад температур на стенке, град

∆t₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой

кипения раствора, град

Перепад температур на стенке определим по формуле

(45)

Тогда разность температур составляет

∆t₂ = ∆t_П₁ - ∆t_СТ - ∆t₁ (46)

∆t₂= 3,27 - 1,58 - 0,5 =1,20 °С

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору определим по формуле

(47)

где ρ_ж, ρ_п, ρ₀ - соответственно плотность жидкости, пара и пара при абсолютном давле-

нии р = 1 атм., кг/м³

ρ₀ = 0,579 кг/м³ - плотность пара при абсолютном давлении

σ - поверхностное натяжение, Н/м

μ - вязкость раствора, Па∙с

Физические свойства раствора в условиях кипения запишем в таблицу 6

Таблица 6 Физические свойства кипящих растворов и их паров

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Плотность раствора ρ, кг/м³	1291	960	903
Вязкость раствора μ, Па∙с ∙ 10^-3	0,684	0,256	0,194
Теплоемкость раствора с, Дж/кг∙К	2802	3857	4180
Теплопроводность раствора λ, Вт/м∙К	0,641	0,668	0,677
Поверхностное натяжение σ, Н/м	0,11	0,079	0,077
Теплота парообразования r_В, кДж/кг	1675	1858	2274
Плотность пара ρ_п, кг/м³	22,7	11,5	0,48

Подставим известные величины в уравнение

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору составляет

(48)

Проверим правильность первого приближения

q₁ = α₁ ∙ ∆t₁

q₁= 11013 ∙ 0,5 = 5506,6 Вт/м²

q₂ = α₂ ∙ ∆t₂

q₂= 2183,5 ∙ 1,20 = 2616,4 Вт/м²

q₁ ≠ q₂

2-е приближение

Принимаем ∆t₁ = 0,26 °С и проверим правильность первого приближения по равен-ству удельных тепловых нагрузок.

Коэффициент теплопередачи от пара к стенке составит

(49)

Перепад температур на стенке определим по формуле

∆t_СТ = 12969 ∙ 0,26 ∙ 0,00029 = 0,97 °C

Тогда разность температур составляет

∆t₂ = 3,27 - 0,97 - 0,26 = 2,0 °С

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору составляет

α₂ = 12,434 ∙ (12969,2 ∙ 0,26)^0,6 = 1626,8 Вт/м∙К

Проверим правильность второго приближения

q₁ = α₁ ∙ ∆t₁

q₁= 12969 ∙ 0,26 = 3372 Вт/м²

q₂ = α₂ ∙ ∆t₂

q₂= 1626,8 ∙ 2,0 = 3334,1 Вт/м²

q₁ ≈ q₂

Тогда коэффициент теплопередачи в первом корпусе составит

Вт/м²∙К

Коэффициент теплопередачи второго корпуса

1-е приближение

Принимаем ∆t₁ = 2 °С и проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок.

Коэффициент теплопередачи от пара к стенке составит

Вт/м∙К

Перепад температур на стенке определим по формуле

Тогда разность температур составляет

∆t₂ = ∆t_П₂ - ∆t_СТ - ∆t₁

∆t₂ = 32,97 - 4,79 – 2 = 26,19 °С

Подставим известные величины в уравнение

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору составляет

α₂ = 14,694 ∙ (α₁ ∙ ∆t₁)^0,6

α₂= 14,694 ∙ (8357,7 ∙ 2)^0,6 = 5023,5 Вт/м∙К

Проверим правильность первого приближения

q₁ = α₁ ∙ ∆t₁

q₁= 8357,7 ∙ 2 = 16715 Вт/м²

q₂ = α₂ ∙ ∆t₂

q₂ = 5023,5 ∙ 26,19 = 131556 Вт/м²

q₁ ≠ q₂

2-е приближение

Принимаем ∆t₁ = 10,7 °С и проверим правильность первого приближения по ра-

венству удельных тепловых нагрузок.

Коэффициент теплопередачи от пара к стенке составит

Перепад температур на стенке определим по формуле

∆t_СТ = 5495,4 ∙ 10,7 ∙ 0,00029 = 16,8 °C

Тогда разность температур составляет

∆t₂ = 32,97 - 16,8 - 10,7 = 5,44 °С

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору составляет

α₂ = 14,694 ∙ (5495,4 ∙ 10,7)^0,6 = 10685 Вт/м∙К

Проверим правильность второго приближения

q₁ = α₁ ∙ ∆t₁

q₁= 5495,4 ∙ 10,7 = 58800 Вт/м²

q₂ = α₂ ∙ ∆t₂

q₂= 10685 ∙ 5,44 = 58119 Вт/м²

q₁ ≈ q₂

Тогда коэффициент теплопередачи во втором корпусе составит

Вт/м²∙К

Коэффициент теплопередачи третьего корпуса

1-е приближение

Принимаем ∆t₁ = 2 °С и проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок.

Коэффициент теплопередачи от пара к стенке составит

Вт/м∙К

Перепад температур на стенке определим по формуле

Тогда разность температур составляет

∆t₂ = ∆t_П₂ - ∆t_СТ - ∆t₁

∆t₂ = 32,97 - 5,11 – 2 = 25,87 °С

Подставим известные величины в уравнение

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору составляет

α₂ = 11,408 ∙ (α₁ ∙ ∆t₁)^0,6

α₂= 11,408 ∙ (8921,3 ∙ 2)^0,6 = 4055,9 Вт/м∙К

Проверим правильность первого приближения

q₁ = α₁ ∙ ∆t₁

q₁= 8921,3 ∙ 2 = 17843 Вт/м²

q₂ = α₂ ∙ ∆t₂

q₂= 4055,9 ∙ 25,87 = 104906 Вт/м²

Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов 📙 Курсовая → 🆔 149719