4. Послідовність теплового розрахунку чотирьохкорпусної випарної установки

Викладені раніше положення дають змогу накреслити загальний план розрахунку багатокорпусної випарної установки цукрового заводу. Принципова схема такої установки, що працює під погіршеним вакуумом показана на рис. 1. Вихідні дані до розрахунку наведені в табл. Д1 додатку.

Метою теплового розрахунку є:

1) визначення поверхні нагріву корпусів, м²:

, 1010\* MERGEFORMAT ()

де індекс і позначає будь-який корпус.

2) розрахунок кількості води, що випарена в кожному корпусі, і витрати пари в ньому з урахуванням заданого відбору вторинної пари на технологічні потреби заводу;

3) розподіл загальної корисної різниці температур між корпусами.

Вихідні дані до розрахунку (див. табл. Д1 додатку)

1) Продуктивність установки m=51500 кг/год.

2) Вихідна кількість розчину s₀=130 кг/100кг.

3) Концентрації сухих речовин: b₀=15%, b_к=65%.

4) Відбирання вторинної пари з корпусів, кг/100кг:

Е₁=12,2 Е₂=8,2 Е₃=10,8 Е₄=7,0.

5) Тиск гріючої пари 1-го корпусу P_i=0,35 МПа.

6) Температура вторинної пари в корпусах, °С:

υ₁=125,2 υ₂=111,0 υ₃=95,0 υ₄=77,5.

4.1. Встановлення температурного режиму установки

Розрахунок в цукровій промисловості традиційно ведуть на 100 кг сировини (для даного прикладу – цукрового буряка).

4.1.1 Загальна кількість випаруваної вологи в установці

1111\* MERGEFORMAT ()

де s₀ – загальна кількість розчину, який надходить на випаровування, кг/100кг; b₀, b_k – початкова і кінцева концентрація сухих речовин, %.

4.1.2. Розподіл загальної кількості випаруваної води по корпусам

Використаємо спрощений метод розрахунку корпусів, що базується на допущені відсутності самовипарювання розчину при надходженні його із одного ступеня в інший та втрат теплоти в навколишнє середовище. При цьому приймаємо, що витрата гріючої пари в кожному апараті відповідає кількості випаруваної води.

Тоді витрату пари на 1-й корпус визначимо за формулою:

1212\* MERGEFORMAT ()

де Е₁, Е₂, Е₃ – кількість вторинної пари, що відбирається, кг/100кг.

Для випарних установок з відборами вторинної пари справедливе рівняння:

1313\* MERGEFORMAT ()

де D_i+1 – витрата пари, кг/100кг.

Тоді витрата пари на 2-й корпус:

Витрата пари на 3-й корпус:

Витрата пари на 4-й корпус:

Перевірка:

4.1.3 На основі формули (11) знайдемо кінцеві і середні концентрації розчину по корпусах випарної установки:

- початкова концентрація розчину в 1-му корпусі:

;

- кінцева концентрація розчину в 1-му корпусі:

;

- середня концентрація розчину в 1-му корпусі:

;

- початкова концентрація розчину в 2-му корпусі:

;

- кінцева концентрація розчину в 2-му корпусі:

;

- середня концентрація розчину в 2-му корпусі:

;

- початкова концентрація розчину в 3-му корпусі:

;

- кінцева концентрація розчину в 3-му корпусі:

;

- середня концентрація розчину в 3-му корпусі:

;

- початкова концентрація розчину в 4-му корпусі:

;

- кінцева концентрація розчину в 4-му корпусі:

;

- середня концентрація розчину в 4-му корпусі:

4.1.4. Визначаємо нормальну фізико-хімічну депресію , °С по середній концентрації розчину в корпусах b_{i ср} на основі табл. Д.3 додатку.

Для першого корпусу:

b1 ср	Температура пари над розчином в апараті, °С
	120	125,2	130
0	0	0	0
18,45	0,369	0,369	0,369
20	0,4	0,4	0,4

Для другого корпусу:

b2 ср	Температура пари над розчином в апараті, °С
	110	111	120
20	0,4	0,4	0,4
27,12	0,614	0,621	0,685
30	0,7	0,71	0,8

Для третього корпусу:

b3 ср	Температура пари над розчином в апараті, °С
	90	95	100
40	1,1	1,15	1,2
40,7	1,156	1,206	1,256
50	1,9	1,95	2

Для четвертого корпусу:

b4 ср	Температура пари над розчином в апараті, °С
	70	77,5	80
50	1,7	1,775	1,8
57,03	2,403	2,531	2,573
60	2,7	2,85	2,9

4.1.5. Визначаємо значення поправки на тиск до нормальної фізико-хімічної температурної депресії η_і в залежності від температури вторинної пари на основі табл. Д4 додатку.

Для першого корпусу:

Для другого корпусу:

Для третього корпусу:

Для четвертого корпусу:

4.1.6. Визначаємо значення фізико-хімічної депресії для робочого тиску в корпусах по формулі:

1414\* MERGEFORMAT ()

Для першого корпусу

Для другого корпусу

Для третього корпусу

Для четвертого корпусу

4.1.7. На основі рекомендацій с.8 приймаємо наступні значення гідростатичної і гідродинамічної депресії по корпусам:

Сумарна температурна депресія визначається за формулою:

1515\* MERGEFORMAT ()

Для першого корпусу:

Для другого корпусу:

Для третього корпусу:

Для четвертого корпусу:

4.1.8. Сумарна температурна депресія для всієї чотирьохкорпусної установки:

1616\* MERGEFORMAT ()

4.1.9. Загальна корисна різниця температур установки:

1717\* MERGEFORMAT ()

де t₁ – температура гріючої пари першого корпусу, визначаємо по табл. 10, [4]:

4.1.10. Розподіл корисної різниці температур по корпусам установки проводимо по заданим температурам вторинної пари.

Для першого корпуса:

Температура кипіння розчину:

Корисна різниця температур:

Для другого корпуса:

Температура первинної пари:

Температура кипіння розчину:

Корисна різниця температур:

Для третього корпуса:

Температура первинної пари:

Температура кипіння розчину:

Корисна різниця температур:

Для четвертого корпуса:

Температура первинної пари:

Температура кипіння розчину:

Корисна різниця температур:

Перевірка правильності розподілення корисної різниці температур:

4.1.11. Визначимо температуру конденсату в корпусах

Рекомендується температуру конденсату t_к приймати на 2…3°С менше температури гріючої пари, тобто

1818\* MERGEFORMAT ()

Для першого корпуса

Для другого корпуса

Для третього корпуса

Для третього корпуса

4.1.12 Теплове навантаження корпусів визначемо за формулою:

1919\* MERGEFORMAT ()

де h_1і, h_к – ентальпії гріючої пари і конденсату по корпусах установки, кДж/кг, див. табл.1.

Для першого корпусу:

Для другого корпусу:

Для третього корпусу:

Для четвертого корпусу:

Результати розрахунку температурного режиму зведемо в таблицю 1.

Фізичні властивості води для визначення внаведені в

Таблиця 1. Результати розрахунку температурного режиму

Найменування	Поз.	Один. вимір.	Номер корпуса
			1	2	3	4
Тиск гріючої пари	Р1	МПа	0,34	0,233	0,15	0,083
Температура гріючої пари	t1	°С	137,57	124,2	110	94
Ентальпія гріючої пари	h1	кДж/кг	2730,6	2712,1	2691,1	2666
Температура киплячого розчину	tр.і	°С	127,64	113,67	98,17	81,69
Фізико-хімічна температурна депресія	Δ1	°С	0,436	0,668	1,17	2,189
Гідростатична температурна депресія	Δ2	°С	2	2	2	2
Температура вторинної пари		°С	125,2	111	95	77,5
Тиск вторинної пари	Рвт.і	МПа	0,241	0,155	0,086	0,043
Ентальпія вторинної пари	hвт.і	кДж/кг	2713,5	2692,6	2667,7	2638,9
Гідродинамічна температурна депресія	Δ3	°С	0	1	1	1
Корисна різниця температур	Δtі	°С	9,936	10,532	11,83	12,311
Температура конденсату	tк	°С	135	122	108	92
Ентальпія конденсату	hк	кДж/кг	567,8	512,2	452,9	385,4

4.2 Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі

Коефіцієнти теплопередачі К для окремих корпусів доцільно розрахувати з використанням графоаналітичного методу розрахунку, який потребує встановлення залежності для всіх корпусів. Розрахункові дані слід звести в табл.2, для побудови якої для кожного корпусу задаються трьома значеннями питомих теплових потоків. Значення питомих теплових потоків q_i для корпусів приймаємо на основі дослідних даних. Наприклад, для чотирьохкорпусної випарної установки цукрового заводу, працюючої під погіршеним вакуумом, рекомендуються середні значення:

- для 1-го корпусу – 15∙10³ Вт/м²;

- для 2-го корпусу – 10∙10³ Вт/м²;

- для 3-го корпусу – 5∙10³ Вт/м²;

- для 4-го корпусу – 5∙10³ Вт/м².

Виконаємо розрахунок коефіцієнта теплопередачі К для першого корпуса при значенні питомого теплового потоку q=26000 Вт/м². Результати розрахунку при різних значеннях питомого теплового потоку для інших корпусів зведемо в таблицю 2.

4.2.1 Тепловіддача від пари до стінки

Висоту поверхні нагріву Н приймаємо рівною 5м.

Множник А1 визначимо за формулою (7):

Тоді коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки знайдемо за формулою (6):

4.2.2 Тепловіддача від стінки до киплячої рідини

Функцію фізичних параметрів цукрових розчинів А₂ знайдемо по рис. Д.3.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячої рідини знайдемо за рівнянням (9):

4.2.3 Коефіцієнт теплопередачі для чистої стінки (на перший день роботи)

2020\* MERGEFORMAT ()

4.2.4 Практичний коефіцієнт теплопередачі знайдемо за формулою (3):

де φ=0,85 та 0,75 – дослідний поправочний коефіцієнт використання поверхні нагріву, відповідно для двох перших та двох останніх корпусів.

4.2.5 Визначимо корисну різницю температур в першому корпусі при питомому навантаженні корпуса 26000 Вт/м²:

2121\* MERGEFORMAT ()

На основі даних таблиці 2 будуємо залежність для всіх корпусів випарної установки, рис. 1.

Користуючись цією графічною залежністю за раніше знайденими корисними різницями температур Δt_і (табл. 1), знаходимо дійсні питомі теплові потоки для всіх корпусів установки. Одержані значення q_і використовуємо для визначення розрахункових значень коефіцієнтів теплопередачі за формулою (21).

Таблиця 2. Визначення коефіцієнтів теплопередачі	Номер корпуса	Четвертий	А1=266340,8 А2=4,7	8000		7788	1033	912	0,75	684	11,7
				9000		7488	1108	965	0,75	724	12,43
				10000		7230	1181	1015	0,75	761	13,14
		Третій	А1=278980,8 А2=7,5	15000		6615	2403	1763	0,75	1322	11,35
				16000		6475	2498	1802	0,75	1352	11,84
				17000		6345	2590	1839	0,75	1379	12,32
		Другий	А1=287814,8 А2=10,7	22000		6007	4314	2511	0,85	2134	10,31
				23000		5919	4430	2534	0,85	2154	10,68
				24000		5835	4545	2555	0,85	2172	11,05
		Перший	А1=294157,5 А2=14	24000		5964	5946	2978	0,85	2531	9,48
				25000		5883	6094	2993	0,85	2544	9,83
				26000		5807	6239	3008	0,85	2556	10,17
	Вели-чина				qi	α1	α2	Ко	φ	К	Δt

Рис. 1. Навантажувальні характеристики корпусів чотирьохкорпусної випарної установки для випарювання розчину

4.2.6 Знаходимо дійсні питомі теплові потоки для всіх корпусів установки за формулою (21):

Для першого корпусу:

Для другого корпусу:

Для третього корпусу:

Для четвертого корпусу:

4.3 Розрахунок поверхонь нагріву корпусів

Поверхні нагріву визначаємо за формулою:

2222\* MERGEFORMAT ()

де m – розрахункова продуктивність установки, кг/год.

Для першого корпуса:

Для другого корпуса:

Для третього корпуса:

Для четвертого корпуса: