2.4. Полезная разность температур.

Полезные разности температур по корпусам равны:

∆t _п1 = t _r1 - t _к1 = 99.3 – 89.7 = 9.6 ⁰С,

∆t _п2 = t _r2 - t _к2 = 83.7 – 67.4 = 16.3 ⁰С.

Общая полезная разность температур равна:

Σ ∆t _п = ∆t _п1 + ∆t _п2 = 9.6 + 16.3 = 25.9 ⁰С.

Проверим общую полезную разность температур:

Σ ∆t _п = t _r1 - t _б.к – (ΣΔ' + ΣΔ'' + ΣΔ''') =

=99.3 – 51 – 3.19 – 17.3 – 2 = 25.9 ⁰С.

2.5. Определение тепловых нагрузок.

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q₁ = D(І_r1 – i₁) = 1.03[ G_нс_н (t _к1 - t _н) + w₁(І_вп1 - с_вt _к1) + Q_конц];

Q₂ = w₁ (І_r2 – i₂) = 1.03[ (G_н - w₁)с₁(t _к2 - t _к1) + w₂(І_вп2 - с_вt _к2) + Q_конц];

W = w₁ + w₂;

где, 1.03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; с₁ ,с₂ – теплоемкости растворов в корпусах, Дж/(кг·К);

с₁ = с₀ + 0.00175(t – 20),

с₀ = 41.87(0.3·X + (100 - Х)),

с_н = 41.86(0.3·9.5 + 100 – 9.5) = 3908.4 Дж/(кг·К),

с₁ = 41.86(0.3·14.6 + 100 – 14.6) = 3758.9 Дж/(кг·К),

с₂ = 41.86(0.3·40 + 100 – 40) = 3014.5 Дж/(кг·К),

Q_конц – теплота концентрирования по корпусам, кВт; t _н – температура кипения исходного раствора, t _н = t _в.п.1+1 = 84.5 + 1 = 85.7 ⁰С.

Получаем систему уравнений:

Q₁ = D(2674.2 – 416.85) =[1.4·3.908 (89.7 – 85.7) + w₁(2650.5 - 4.1868·83.7)];

Q₂ = w₁ (2648.7-349.71) =[ (1.4-w₁)3.758(67.4-89.7) + w₂(2594.5-4.1868·50)];

W = w₁ + w₂;

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 0.596 кг/с, w₁ = 0.521 кг/с, w₂ = 0.548 кг/с,

Q₁ = 1.33·10⁶ Вт, Q₂ = 1.26·10⁶ Вт.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с Концентрация растворов, Х, % Давление греющих паров, кПа Температура греющих паров, tr, 0С Температурные потери Σ ∆, 0С Температура кипения раствора, tк, 0С Полезная разность температур, ∆t п, 0С	0.521 14.6 100 99.3 6.07 89.7 9.6	0.548 40 56.495 83.7 16.42 67.4 16.3

3. Конструктивный расчет.

3.1. Выбор конструкционного материала.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора КОН в интервале изменения концентраций 9.5 до 40 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0.1 мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст = 25.1Вт/(м·К),

δ = 2 мм.

3.2. Расчет коэффициентов теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

К₁ = 1/(1/α₁ + ∑δ/λ + 1/α₂ )

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопро­тивлению стенки δ_ст/λ_ст и накипи δ_н/λ_н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

∑δ/λ = 0.002/25.1 = 7.97·10^-5 м²·К/Вт.

Теплопроводность по корпусам рассчитывается:

λ = 1.16(0.51 – Х^0.53/46),

λ₁ = 1.16(0.51 – 14.6^0.53/46) = 0.487 Вт/(м·К),

λ₂ = 1.16(0.51 – 40^0.53/46) = 0.413 Вт/(м·К).

Вязкость по корпусам рассчитываем:

μ₀ = 0.94·10^-3·е^0.05+0.08Х,

μ₀₁ = 0.94·10^-3·е^{0.05+0.08·9.5} = 2.11·10^-3 Па·с,

μ₀₂ = 0.94·10^-3·е^{0.05+0.08·40} = 7.3·10^-3 Па·с,

μ = 12.9· μ₀/t_к^0.85,

μ₁ =12.9·2.11·10^-3/89.7^0.85 = 0.59·10^-3 Па·с,

μ₂ = 12.9·7.3·10^-3/64.7^0.85 = 2.7·10^-3 Па·с.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке α₁, равен:

,

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; ρ_ж1, λ_ж1, μ_ж1 - соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность Вт/(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_r1- ∆t₁/2, где ∆t₁ -разность температур конденса­ции пара и стенки, град.

Расчет а, ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем ∆t₁ = 2,2 град. Тогда

α₁ = 2.04[(2258.1·10³·959²·0.67³)/(0.28·10³·4·2.2)]^¼ = 8.14·10³ Вт/(м²·К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q = α₁∆t₁ = ∆t_ст /(∑δ/λ) = α₂∆t₂,

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; ∆t_ст – перепад температур на стенке, ⁰С ; ∆t₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, ⁰С.

Отсюда

∆t_ст = α₁∆t₁∑δ/λ = 8.14·10³·2.2 ·7.97·10^-5 = 1.43 ⁰С,

Тогда

∆t₂ = ∆t_п1 - ∆t_ст - ∆t₁ = 9.6 – 1.43 – 2.2 = 5.97 ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора равен:

,

α₂ = 780·q^0.6(0.487^1.3·1061.3^0.5·0.582^0.06)/(0.042^0.5·(2296·10³)^0.6·0.579^0.66 ·3758.9^0.3·(0.59·10^-3)^0.3 = 8.33(8.14·10³·2.2) = 2.97·10³ Вт/(м²·К).

Физические свойства раствора и паров сводим в таблицу:

Параметр	Корпус
	1	2
Теплопроводность λ, Вт/(м·К) Плотность р-ра ρ, кг/м3 Теплоемкость с, Дж/(кг·К) Вязкость μ, Па·с Поверхностное натяжение σ,Н/м Теплота парообраз-ния rв, Дж/кг Плотность пара ρп ,кг/м3	0.487 1061.3 3758.9 0.59·10-3 0.042 2296·103 0.582	0.413 1168.0 3014.9 2.7·10-3 0.042 2377·103 0.336

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q' = α₁∆t₁ = 8.14·10³·2.2 = 17.9·10³ Вт/м²,

q'' = α₂∆t₂ = 2.97·10³·5.97 = 17.7·10³ Вт/м².

q' ≈ q''

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов на этом заканчиваем. Находим К₁:

К₁ = 1/(1/α₁ + ∑δ/λ + 1/α₂ ) = 1/(1/8.14·103 + 7.97·10^-5 + 1/2.97·10³ =

= 1.85·10³ Вт/(м²·К).

Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂. Для этого найдем:

,

α₁ = 6.59·10³ Вт/(м²·К),

∆t₁ = 5.1 ⁰С,

∆t_ст = α₁∆t₁∑δ/λ = 6.59·10³·5.1·7.97·10^-5 = 2.68 ⁰С,

∆t₂ = ∆t_п1 - ∆t_ст - ∆t₁ = 16.8 – 2.68 – 5.1 = 9.02 ⁰С.

α₂ = 3.72·10³ Вт/(м²·К).

q' = α₁∆t₁ = 6.59·10³·5.1 = 33.6·10³ Вт/м²,

q'' = α₂∆t₂ = 3.72·10³·9.02 = 33.6·10³ Вт/м².

q' ≈ q''. Определим К₂:

К₂ = 1/(1/α₁ + ∑δ/λ + 1/α₂ ) = 1.98·10³ Вт/(м²·К).