Выпарной аппарат

Qисп=3.336(2656103 - 421389.168)=7.611106 Вт

3.1.4.               Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

Q=KFtполезн.                                                                                     (12)

              где               К – коэффициент теплопередачи Вт/(м2К)

                            F – площадь поверхности теплообмена, м2;

              Коэффициент теплопередачи К найдем из выражения:

                                                                      (13)

              где              кип – коэффициент теплоотдачи кипящего раствора, Вт/(м2К)

                            конд - коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара, Вт/(м2К)

                            ∑rст – сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м2К)/Вт

Для расчётов коэффициент теплоотдачи конд, кип воспользуемся методом итераций.

Примем температуру наружной стенки трубы tст1  меньшей чем tконд.гр.п. и равной:

tст1=121.21 С

              При конденсации греющего пара на пучке вертикальных труб, выражение для коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид / 2, формула 4.52(а) /:

                                                                      (14)

              где              Н – высота труб, м

                            t – разность температур конденсаций греющего пара tконд.гр.п. и температуры стенки t1, с;

              Значение функции Аt найдём при температуре tконд.гр.п. / 2, табл. 4.6 /

At=7278

t = tконд.гр.п..- tст1                                                                      (15)

t =124.168-121.21=2.958 С

Н=Нтр=6 м

Вт/(м2К)

              Количество теплоты q1, передаваемое от конденсирующегося пара к стеке, найдём по формуле:

q1=конд(tконд.гр.п..- tст1)                                                                       (16)

q1=72332.958=2.14104 Вт

              Так как процесс теплопередачи является установившемся, то количество теплоты q1 равно количеству теплоты qст, которое передаётся от наружной стенки трубы с температурой tст1 к внутренней, с температурой tст2.

                                                                           (17)

Суммарное термическое сопротивление стенки найдём по формуле:

                                                                      (18)

              где               - толщина стенки трубы, м;

                            ст - коэффициент теплопроводности трубы, Вт/(мК)

              rзагр1, rзагр2 – термическое сопротивление слоев загрязнения с наружной и внутренней сторон стенки соответственно, м2К/Вт

              Определим значения величин rзагр1, rзагр2 / 2, табл. ХХХI /

rзагр1=1/5800=1.72410-4 м2К/Вт

rзагр2=1/1860=5.37610-4 м2К/Вт

              Коэффициент теплопроводности ст для стали равен:

ст=46.5 Вт/(мК)

              Толщину стенки трубы примем:

=0.002 м

м2К/Вт

              Температуру tст2 найдём из формулы (17)

tст2= tст1-q1∑rст

tст2=121,21-2.14104.28910-4=103.475 С

              Коэффициент теплоотдачи кипящего раствора / 2, формула 4.62 /

                                                                      (19)

              где              b – безразмерная функция;

                             - кинематическая вязкость раствора, м2/с

                             - поверхностное натяжение раствора Н/м

Ткип – разность температур tст2 и температуры кипения раствора

tкип, К;

              Значение безразмерной функции b / 2,формула 4.62 а /:

                                                        (20)

              где              п – плотность пара, кг/м3;

              Плотность раствора р рассчитываем при температуре кипения tкип и конечной концентрации хкон (Приложение 2, п.1):

р=1.013103 кг/м3

              Плотность пара п найдём при температуре кипения tкип / 2, табл. LVI /

п=0.4147 кг/м3

Кинематическая вязкость раствора :

=р/р                                                                                    (21)

              где              р – динамическая вязкость раствора, Пас

              Динамическая вязкость раствора при температуре tкип (Приложение 2, п. 2):

р=3.8710-4 Пас

=3.8710-4/1.013103 =3.8210-7 м2/с

              Поверхностное натяжение  при температуре tкип определяем для воды, т.к. концентрация MgCl2 достаточно мала /2; табл XXXIX/

=0,05995 Н/м

              Коэффициент теплопроводности  для раствора при tкип и хкон          (Приложение 2, п.4), Вт/(мК):

=0.662 Вт/(м2.К)

Вт/м2К

              Количество теплоты q2, передаваемое от внутренней стенки к раствору:

q2=кип(tст2- tкип)                                                                       (22)

q2=2.238103(103.475-94.168)=2.083104 Вт

              Определим значение выражения:

и если Е 0.05 то расчёт коэффициентов теплоотдачи выполнен верно.

Е=(2.14104-2.083104)/ 2.083104=0.027

              Тогда:

  Вт/(м2К)

                                                                      (23)

м2

3.1.4                            Выбор выпарного аппарата по каталогу.

Произведём выбор аппарата по каталогу / 3, приложение 4.2 /. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

Fв.п.=1.2F

Fв.п.=1.2358.774=430.493 м2

где              Fв.п. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м2;

              Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой. Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 450 м2;

Таблица 1. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 11987-81)

              F – номинальная поверхность теплообмена;

              D – диаметр греющей камеры;

              D1 – диаметр сепаратора;

              D2 – диаметр циркуляционной трубы;

              Н – высота аппарата;

              М – масса аппарата;

3.2.              Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева  исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат.

3.2.1. Определение средних температур теплоносителей.

Рис. 1 Температурная схема

              где              t’нач – начальная температура исходного раствора (по заданию)

              tбол, tмен – большая и меньшая разность температур соответственно, С;                                          tнач – температура исходного раствора после подогревателя, С ;

tб = tконд.гр.п – t’нач                                                          (24)

tб = 124,168 – 35 = 89.168 С

tм = tконд.гр.п – tнач                                          (25)

tм = 124,168 – 86.668 = 37.5 С

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

                                                                                 (26)

С

Средняя температура раствора:

                                tср.р = tконд.гр.п – tср                                                                  (27)

tср.р =124.168 –59.65=64.518 С

3.2.2. Тепловой баланс подогревателя.

              Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t’нач до температуры tнач найдем по формуле (10), приняв значение теплоёмкости раствора при температуре и концентрации Хнач ( Приложение 2, п.3 )

Q=4.54.141103(86.668-35)=9.628105 Вт

Расход греющего пара Gгр.п. найдём по формуле:

                                                                                    (28)

где              r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;

                                           - степень сухости пара;

=0.95

Удельная теплота парообразования при температуре tконд.гр.п. / 2, табл. LVI /:

r=2205x103 Дж/кг

кг/с

3.2.3. Ориентировочный расчет подогревателя.

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от конденсирующегося пара к жидкости / 2, табл. 4.8 /:

Кор=850 Вт/(м2К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);

м2

Для обеспечения интенсивного теплообмена необходимо обеспечить турбулентный режим течения, он достигается при Re более 10000. Зададимся:

Re=10000

Скорость течения раствора в аппарате с диаметром труб d=20 мм рассчитаем

по формуле:

                                                                        (29)

где              тр – скорость течения раствора в трубном пространстве м/с;

                                          dэкв – эквивалентный диаметр, м;

Значения коэффициентов вязкости раствора р и плотности р возьмём при температуре tср.р.и концентрации Хнач ( Приложение 2, п.1,п.2 )  

м/с

Проходное сечение трубного пространства Sтр, м2:

                                                                      (30)

м2

Для того, чтобы подобрать наиболее подходящий вариант подогревателя необходимо произвести уточнённый расчёт нескольких близких аппаратов. Примем диаметр труб d=25 мм:

м/с

м2

3.2.4. Параметры теплоносителей необходимые для уточнённого расчёта подогревателя