Задача 2 «Принцип работы четырехкорпусной выпарной установки»
Выполнить проектный расчет четырехкорпусной выпарной установки, если расход обезжиренного молока (G = 4, 22 кг/с), а смеси в четвертом корпусе (G' = 1,1 кг/с), начальная концентрация соответственно (Вн = 8,82%, Вн' = 41 % ), конечная концентрация ( Вк = 40%, Вк' = 43% ).
3.1 Количество воды, выпариваемой в трех корпусах установки
(1)
где G – расход раствора на входе в первый корпус, кг/с
Вн- начальная концентрация раствора ,%
Вк –конечная концентрация раствора, %
3.2
Количество воды, выпариваемое в четвертом
корпусе установки:
(2)
3.3 Тогда количество выпариваемой воды по корпусам составит:
(3)
(4)
(5)
(6)
Проверяем, что W = W1 + W2 +W3 =3,3 кг/с (7)
3.4 Из первого корпуса во второй переходит продукт с расходом :
(8)
После второго корпуса расход продукта составляет:
(9)
После третьего:
(10)
После четвертого:
(11)
3.5 Конечная концентрация сгущенной массы по корпусам:
(12)
(13)
(14)
(15)
3.6 Распределяем давления пара по корпусам:
Корпуса
|
Р,кПа
|
tн ,°С
|
М, Дж/кт
|
1 корпус
|
33,1
|
75
|
2350000
|
2 корпус
|
30,9
|
70
|
2380000
|
3 корпус
|
19,9
|
60
|
2400000
|
4 корпус
|
12,5
|
51
|
2450000
|
Греющий пар
|
109,4
|
105
|
2300000
|
где tн ,-температура насыщенного пара, С
Р-давление пара,кПа
М-теплота парообразования,Дж/кг
3.7 Температурные потери по корпусам:
3.7.1 Температурные потери вследствие физико-химической дисперсии:
1)для первого корпуса:
(16)
для второго корпуса:
(17)
для третьего корпуса:
(18)
для четвертого корпуса:
(19)
для всех корпусов вместе :
(20) 3.7.2 Температурные потери вследствие
гидравлической депрессии принимаются
на основании опытных данных равными
1,5 °С для каждого корпуса, в целом по
установке
(∆)г.с = 6 °С.
3.7.3 Температурные потери вследствие гидравлической депрессии принимаются на основании опытных данных равными 1,5°С для каждого корпуса, в целом по установке
(∆)г.=4 °С.
3.7.4 Сумма всех температурных потерь на установке:
(21)
3.8 Определяем полезную разность температур на установке
3.8.1 Полезная разность температур:
(22)
Полезная разность температур установки:
(23)
3.9 Определяем температуры кипения массы по корпусам из уравнений:
- для второго,третьего,четвертого корпуса:
(t)кип.1 = (tн)1 + (∆)ф.д.1 + (∆)г.с.1 (24)
(t)кип2 =(tн)2 + (∆)ф.д.2 + (∆)г.с.2 (25)
(t)кип3 =(tн)3 + (∆)ф.д.3 + (∆)г.с.3 (26)
(t)кип4 =(tн)4 + (∆)ф.д.4 + (∆)г.с.4 (27)
3.10 Рассчитываем коэффициенты теплопередачи по корпусам.
3.10.1 Учитывая, что обычно коэффициент теплопроводности труб в трубчатых теплообменниках мал по сравнению с коэффициентом теплоотдачи при конденсации пара в виде пленки на патрубках , коэффициент теплоотдачи (К) определяем для каждого из корпусов по формуле:
,
где α1 – коэффициент теплоотдачи от пленки конденсата греющего пара к продукту;
α2 – коэффициент теплоотдачи от вертикальной трубы теплообменника к продукту[8].
3.10.2 Для определения коэффициента теплопередачи используем эмпирическую формулу:
справедливую при температуре пленки tпл до 120°С и скоростях движения конденсирующего пара в теплообменнике до 6 м/с.
Температура пленки конденсата определяется для каждого корпуса величиной:
где (∆t)i - полезная разность температур на теплопередающих поверхностях корпуса.
Величины (∆t)i пока не известна и уточняется в конце расчета, поэтому в качестве первого приближения принимаем:
- для первого корпуса:
(28)
- для второго корпуса:
(29)
-для третьего корпуса:
(30)
-для четвертого корпуса:
(31)
При таком разбиении по корпусам полезного перепада температур коэффициент теплоотдачи α1 находится по формуле:
- для первого корпуса:
(32)
- для второго корпуса:
(33)
Для третьего корпуса
(34)
-для четвертого корпуса:
(35)
3.10.3 Коэффициент теплоотдачи α2 находится по эмпирической формуле:
где А – коэффициент, зависящий от физических свойств кипящей жидкости, определяется по таблице эмпирических данных от концентрации упариваемой массы (В,%) и температуры кипения (tкип,°С);
u
– массовое напряжение поверхности
нагрева,
,
Величину площади поверхности теплообмена F задаем
Вычислим величину коэффициента теплоотдачи:
- для первого корпуса:
(36)
- для второго корпуса:
(37)
-для третьего корпуса:
(38)
-для четвертого корпуса:
(39)
Где А1,А2,А3,А4-эмпирические коэффициенты[3,4].
3.10.4 Коэффициенты теплоотдачи для первого , второго,третьего и четвертого корпусов находятся по формулам:
(40)
(41)
(42)
(43)
Или при учете накипеобразования для компенсации образующегося теплового сопротивления примем эффективные значения коэффициентов теплопередачи равными:
(К1)2 = 0,9 · К1 (44)
(К2)2 = 0,9 · К2 (45)
(К3)2 = 0,9 · К3 (46)
(К4)2 = 0,9 · К4 (47)
3.11Определяем тепловые нагрузки корпусов:
3.11.1 Тепловая нагрузка первого корпуса ( с учетом того, что продукт подается на вход при температуре кипения):
(48)
,Вт
3.11.2 Тепловая нагрузка второго корпуса:
(49)
3.11.3 Тепловая нагрузка третьего корпуса:
(50)
3.11.4 Тепловая нагрузка четвертого корпуса:
(51)
Здесь учтено, что при переходе продукта из первого корпуса во второй за счет теплоты перегрев происходит частичное самоиспарение воды из него.
Где
с1 ,
с2
,с3
– теплоемкость продукта для молока
обезжиренного [4].
3.12 Расход греющего пара на первый корпус:
(52)
Удельный расход пара:
3.13 Уточненное распределение полезной разности температур:
- для первого корпуса:
(53)
- для второго корпуса:
(54)
-для третьего корпуса:
(55)
-для четвертого корпуса:
(56)
3.14 Уточняем площади поверхностей нагрева корпусов:
- для первого корпуса:
(57)
- для второго корпуса:
(58)
-для третьего корпуса :
(59)
-для четвертого корпуса:
(60)
3.15 Округляем полученные площади теплообменников корпусов в большую сторону до значений кратных 10 м2.
F1=F2=F3=F4
3.15.1 Фактическое массовое напряжение:
- для первого корпуса:
(61)
=0,008
- для второго корпуса:
(62)
-для третьего корпуса:
(63)
-для четвертого корпуса:
(64)