4.1.3 Тепловой баланс выпарного аппарата

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

– расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

– расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

– расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт.

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду при расчёте выпарных аппаратов принимается как 5% от суммы :

Подогрев раствора ведётся конденсатом греющего пара, поэтому примем, что после подогревателя раствор имеет температуру на 10ºС меньше температуры кипения:

,

где – производительность по разбавленному раствору;

– удельная теплоёмкость раствора при и начальной концентрации :

Теплоёмкость воды:

Теплоёмкость раствора:

Расход теплоты на испарение:

где – удельная теплота парообразования вторичного пара при температуре , Дж/кг, найденная интерполяцией согласно [1]:

4.1.4 Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

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

В качестве материала для выпарного аппарата выбираем сталь марки Ст3сп с коэффициентом теплопроводности

В качестве греющего носителя используем водяной пар с содержанием масла со средним значением тепловой проводимости загрязнений стенок , а тепловая проводимость загрязнений стенок со стороны раствора –

Термическое сопротивление загрязнений труб:

Коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося греющего водяного пара:

при температуре пара 116,3 С

Примем температуру горячей стенки

Тепловой поток со стороны пара:

Определим температуру холодной стенки, принимая, что q₁=q_ст:

Коэффициент теплоотдачи для кипящего раствора:

где _раст, _раст, , _раст - параметры при t_кип=89,31С

Тепловой поток со стороны кипящего раствора:

Сопоставим q₁ и q₂, разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки подходит.

Коэффициент теплопередачи:

Площадь поверхности выпарного аппарата:

Расход греющего пара, (приняв, что его сухость 95%):

Удельный расход пара:

Характеристика выбранного аппарата [2, с.183] гост 11987-81):

F=355 м² (тип 1, исполнение 2)

Диаметр сепаратора – 3600 мм

Диаметр циркуляционной трубы – 1000 мм

Диаметр греющей камеры – 1600 мм

Высота труб – 5000 мм

4.2 Расчет подогревателя исходного раствора

Исходные данные:

– расход исходного раствора

– расход воды-конденсата на обогрев исходного раствора (на обогрев расходуется весь конденсат!)

t_В.конд=116,3°С – начальная температура воды-конденсата

t_нач=10°С – начальная температура раствора

t_кон=75,55°С – конечная температура раствора

Средняя температура исходного раствора:

Теплоёмкость, вязкость, плотность и теплопроводность исходного раствора при средней температуре:

Тепловой баланс подогревателя:

Теплоёмкость воды – конденсата примем при её начальной температуре t_В.конд=116,3°С:

Вычислим конечную температуру воды:

Средняя температура воды-конденсата:

Теплоёмкость воды – конденсата при этой температуре:

Уточнённая конечная температура воды:

Расхождение в температурах мало, поэтому принимаем .

Вязкость, плотность и теплопроводность воды – конденсата при средней температуре:

Температурная диаграмма процесса:

t

116,3

Δt_б

75,55

26,93

Δt_м

10

Исходя из диаграммы, видно, что работает она только для одноходовых теплообменников и для теплообменников «труба в трубе»

Определим среднюю движущую силу процесса:

Ориентировочная площадь теплообмена подогревателя:

Пусть К_ор=700Вт/(м^2.К), согласно [2], тогда

Для обеспечения интенсивного теплообмена необходимо обеспечить турбулентный режим течения, он достигается при Re более 10000, при этом конденсат поступает в трубное пространство теплообменника.

Требуемая площадь трубного сечения для теплообменников с трубами 25×2мм:

Требуемая площадь трубного сечения для теплообменников с трубами 20×2мм:

Не удаётся подобрать теплообменник, который бы работал в турбулентном режиме, поэтому рассмотрим теплообменник «труба в трубе» со следующими характеристиками:

Диаметр кожуховой трубы –

Диаметр теплообменной трубы –

_{Исходный раствор подаётся во внутреннюю трубу, вода - в кольцевое пространство теплообменника.}

_{Определим площадь кольцевого сечения в теплообменнике:}

Скорость течения воды в кольцевом пространстве теплообменника:

Критерий Рейнольдса для воды:

_{Определим площадь трубного сечения в теплообменнике:}

Скорость течения раствора во внутренней трубе теплообменника:

Критерий Рейнольдса для раствора:

Термическое сопротивление стенок труб:

Тепловая проводимость загрязнений стенок со стороны конденсата , тепловая проводимость загрязнений стенок со стороны раствора . В качестве материала труб выберем сталь Ст3 с коэффициентом теплопроводности .

Критерий Нуссельта для конденсата:

Критерий Прандтля для конденсата при средней температуре:

Примем температуру горячей стенки t_ст1=65,3°С:

Критерий Прандтля для конденсата при температуре горячей стенки:

Коэффициент теплоотдачи для конденсата:

Тепловой поток со стороны конденсата:

Критерий Нуссельта для раствора

Определим температуру холодной стенки, принимая, что q₁=q_ст:

Критерий Прандтля для раствора при средней температуре:

Критерий Прандтля для разбавленного раствора при температуре стенки:

Коэффициент теплоотдачи для раствора:

Тепловой поток со стороны раствора:

Сопоставим q₁ и q₂, т разность выразим в процентах:

Коэффициент теплопередачи:

Поверхность теплообмена:

Определим требуемое количество труб с учётом 15% запаса, принимая, что длина трубы L=9м, площадь теплообмена F_Т=3,02м²:

Площадь теплообмена в аппарате:

Характеристика выбранного теплообменника, [3]:

Диаметр кожуховой трубы –

Диаметр теплообменной трубы –

_{Длина теплообменной трубы – 9м}

_{Площадь теплообмена по одной трубе – 3,02м}²

_{Число труб – 24}

_{Площадь теплообмена – 90,6м}²

Запас поверхности: