4. Расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат

выпарная вакуум подогреватель испарение

Определение средних температур теплоносителей

гдеt’_нач – начальная температура исходного раствора (по заданию)

Dt_б, Dt_м – большая и меньшая разность температур соответственно, °С;

t_нач – температура исходного раствора после подогревателя, °С;

t_нач = 74,05°С

t’_нач= 14°С

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле (17):

(22)

Dt_б = t_{конд.гр.п} – t’_нач (23)

Dt_б = 104,68 – 14 = 90,68 K

Dt_м = t_{конд.гр.п} – t_нач (24)

Dt_м = 104,68 –74,05= 30,63 K

K

Средняя температура раствора:

t_ср.р =t_{конд.гр.п} – Dt_ср (25)

t_ср.р =104,68 –55,327 = 49,353 °С

Тепловой баланс подогревателя

Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t’_нач до температуры t_нач найдем, приняв значение теплоёмкости раствора при начальной температуре и концентрации

= (26)

Расход греющего пара w1 найдём по формуле:

(27)

гдеr – удельная теплота парообразования, кДж/кг;

c - степень сухости пара;

Удельная теплота парообразования при температуре t_{конд.гр.п} [2], табл. LVI:

r =2249 кДж/кг

кг/с

Ориентировочный расчёт подогревателя

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к жидкости [2], табл. 4.8:

К_ор=600 Вт/(м² К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (20);

м²

Произведём выбор аппарата по ГОСТу. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности

Таблица 3. Характеристика подогревателя исходного раствора

Характеристика аппарата
Буквенный индекс	ТН
Диаметр кожуха D, м	400
Длина трубчатки L, м	4,0
Поверхность теплообмена F, м2	46
Количество труб, n	181

5. Расчёт холодильника концентрированного раствора

Определение средних температур теплоносителей

Рис. 2 Температурная схема движения теплоносителей при противотоке

t_кон ,t’_кон – температура упаренного раствора до и после холодильника, °С;

t_нач.в,t_кон.в – температура охлаждающей воды до и после холодильника, °С;

Конечную температуру воды и упаренного раствора выбираем самостоятельно

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

,

Dt_б = 76,05 –20=56,05 К

Dt_м = 25 – 11 = 14 К

К

Среднюю температуру воды найдём как среднее арифметическое t_вод.ср., °С:

t_вод.ср= (t_нач.в+t_кон.в)/2 (28)

t_вод.ср= (20+11)/2=15,5 °С

Средняя температура раствора t_ср.р, °С:

t_ср.р= t_вод.ср + Dt_ср (29)

t_ср.р=15,5+30,313=45,813°С

Тепловой баланс холодильника

Количество теплоты, которое необходимо отвести от раствора для его охлаждения:

Q= G_кон с_кон (t_кон-t’_кон) (30)

Где G_кон – расход упаренного раствора кг/с;

с_кон – удельная теплоёмкость раствора при t_ср.р. и Х_кон, Дж(кг К)

Удельная теплоёмкость раствора с_кон раствора при t_ср.р. и Х_кон (Приложение 1 п.3):

с_кон=3540 Дж(кг К)

Q = 1.449 3540 (76,05 – 25) = 2,619  10⁵ Вт

Так как вся отводимая от раствора теплота передаётся охлаждающей воде, то её расход можно найти по формуле:

(31)

гдеG_вод – расход охлаждающей воды, кг/с;

с_вод – теплоемкость воды при температуре t_вод.ср.,Дж/(кг К)

Удельная теплоемкость воды при температуре t_вод.ср (Приложение 1 п.3):

с_вод= 4193 Дж/(кг К)

кг/с

Ориентировочный расчёт холодильника

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к жидкости [2], табл. 4.8:

К_ор=300 Вт/(м² К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (20);

м²

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным или переходным режимом течения теплоносителей. Исходный раствор направим в теплообменную трубу, а охлаждающую воду в кожуховую трубу.

Зададимся критерием Рейнольдса для раствора: Re₁=10000

Эквивалентный диаметр трубного сечения: d^экв=0.098 м

Вязкость раствора при ее средней температуре (Приложение 1 п.2):

Плотность раствора (Приложение 1 п.1):

Найдем скорость раствора:

(31)

Найдем площадь поперечного сечения:

(32)

Найдем по ГОСТу ближайшую стандартную площадь:

Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса для раствора:

Зададимся критерием Рейнольдса для воды: Re₂=10000

Эквивалентный диаметр трубного сечения: d^экв=0.039 м

_{Па с}

Вязкость воды при ее средней температуре (Приложение 1 п.2):

_кг/м3

Плотность воды (Приложение 1 п.1):

Найдем скорость воды:

Найдем площадь поперечного сечения:

Найдем по ГОСТу стандартную площадь:

Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса для воды:

Температуры стенки со сторон холодного и горячего теплоносителей будем искать с помощью метода итераций. Суть метода заключается в нахождении удельного потока теплоты со стороны хладагента и теплоносителя как функций от температуры одной из стенок теплообменника и решения уравнения с помощью ПК относительно температуры стенки.

Подробные расчеты теплообменников, рассчитанных с помощью ЭВМ, приводятся в приложении 3.

Теплообменник обладает следующими характеристиками:

Теплообменник «труба в трубе» диаметр теплообменной трубы 89х5 мм, кожуховой трубы 159х6, число элементов теплообменника шт., длина одного элемента м, с общей поверхностью теплообмена м².

Для сравнения был рассчитан теплообменник обладающий следующими свойствами: Теплообменник «труба в трубе» диаметр теплообменной трубы 38х4 мм, кожуховой трубы 89х5, число элементов теплообменника шт., длина одного элемента м, с общей поверхностью теплообмена м².

Оба выбранных теплообменных аппарата пригодны для использования в данном технологическом процессе (оба обладают достаточным запасов поверхности теплообмена, и в обоих аппаратах развивается интенсивный турбулентный режим). С экономической точки зрения выгоднее применять первый аппарат, т.к при одинаковой цене за один кг массы аппарата капитальные затраты на первый аппарат будут ниже.