С помощью справочников определяем значения величин повышения температур кипения раствора кон при атмосферном давлении

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Поскольку давление в выпарных установках отличаются от атмосферного, уточняем температурные потери с помощью приближённой формулы И.А. Тищенко:

(3.1)

где – абсолютная температура насыщенных паров при найденных значениях давлений в ступенях, К;

– удельная теплота парообразования воды при данном давлении,

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Температурная потеря всей выпарной установки то физико-химической депрессии:

град.

3.5.2 От гидростатического эффекта

Определяем повышение гидростатического давления в середине омываемой раствором поверхности нагрева:

(3.2)

где – оптимальный уровень раствора в кипятильных трубах, фиксируемый по водомерному стеклу, м;

– соответственно плотности раствора и воды, кг/м³;

– высота труб в греющей камере, м.

По справочникам определяем плотности растворов в выпарных аппаратах по ранее найденным величинам концентрации в них (приложение А) и рассчитываем :

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Определяем абсолютное давление в среднем слое упариваемого раствора:

в I ступени

во II ступени

в III ступени

По таблицам водяного пара определяем температуру насыщения , соответствующую давлению в среднем слое .

Тогда температурная потеря от гидростатического эффекта (гидростатическая депрессия) определится как разность температур кипения воды в среднем слое и на свободной поверхности раствора в выпарном аппарате

(3.3)

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Температурная потеря всей выпарной установки от гидростатической депрессии:

3.5.3 От гидростатических сопротивлений

Температурная депрессия от гидростатических потерь давления при прохождении вторичного пара из парового пространства аппарата предыдущей ступени в греющую камеру последующей или в конденсатор составляет 1,0–1,5 градуса. Принимаем:

Температурная потеря всей выпарной установки от гидростатической депрессии:

Суммарные депрессионные потери общей разности температур всей выпарной установки в целом составляет:

6. Температура греющего пара и температура кипения растворов в

среднем слое

Температура греющего пара в каждой последующей ступени равна температуре вторичного пара в предыдущей ступени за вычетом гидравлической депрессии:

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Для определения температуры кипения раствора в среднем слое воспользуемся уравнением:

(3.4)

в I ступени

во II ступени

в III ступени

3.7 Определение полезной разности температур

Определяем общую располагаемую разность температур выпарной установки:

Следовательно, полезная разность температур выпарной установки:

Предварительно полезную разность температур по ступеням выпарной установки определяем как разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора в среднем слое для каждой ступни:

в I ступени

во II ступени

в III ступени

8. Составление тепловых балансов по ступеням выпарной

установки

Количество теплоты, передаваемое через поверхность нагрева выпарного аппарата любой ступени:

(3.5)

Это количество тепла и расходуется в той же ступени выпарной установки:

(3.6)

где – расход греющего пара, его энтальпия и энтальпия конденсата греющего пара;

– расход и энтальпия вторичного пара;

– расход, теплоёмкость (приложение А) и температура раствора, поступающего в соответствующую ступень выпарной установки;

– расход, теплоёмкость и температура раствора, покидающего эту же ступень;

– тепловой эффект дегидратации (удаление паров воды) раствора (приложение А), Дж/кг;

– потери теплоты и коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Так как подогреватель раствора в данном курсовом проекте не рассчитывается, принимаем температуру кипения раствора в первой ступени

Тепловые потери I, II, и III ступенями в окружающую среду принимают равными соответственно 5, 3 и 2%, т.е.

Для первой ступени:

Расход теплоты:

Расход греющего пара:

Для второй ступени:

Расход теплоты:

Расход греющего пара:

Греющим паром во II ступени является вторичный пар I ступени.

Ранее найдено, что

Расхождение составляет:

Для третьей ступени:

Расход теплоты:

Расход греющего пара:

Греющим паром в III ступени является вторичный пар II ступени. Ранее найдено, что Расхождение составляет:

Расхождение не должно превышать двух процентов, поэтому необходимо перераспределить нагрузку по ступеням выпарной установки и повторить расчёты в следующем приближении.

Обычно после двух–трех приближений предварительно найденные величины совпадают с расчетными.

3.9 Уточненные расчеты

Перераспределяем нагрузку по ступеням выпарной установки

в I ступени:

;

во II ступени:

;

в III ступени:

.

Повторяем расчеты во втором приближении по пп. 3.3–3.8.

Трудоёмкость и повторяемость вычислительных операций делает целесообразным выполнение последующих приближений с помощью ПК. Результаты последнего приближения сводим в табл. 3.2.

10. Расчет коэффициентов теплопередачи по ступеням выпарной

установки

Принимаем для всех выпарных аппаратов толщину слоя накипи на греющих трубах . Для стали марки Ст.3, из которой изготовлены греющие трубы, принимаем .

Коэффициент теплопередачи К от конденсирующего пара к кипящему раствору и коэффициенты теплопередачи и соответственно от конденсирующегося пара к стенкам труб и от стенок греющих труб к кипящему раствору рассчитываем по (2.12) и (2.15), (2.18)

Таблица 3.2 - Параметры раствора и пара по ступеням выпарной установки (последнее приближение)

№ п/п	Параметры	Ступень
		I	II	III
1	Количество выпариваемой воды W (n), кг/с	1,071	1,107	1,155
2	Количество исходного раствора кг/с	4,444	3,374	2,266
3	Количество упаренного раствора кг/с	3,374	2,266	1,111
4	Концентрация исходного раствора %	10,000	13,174	19,611
5	Концентрация упаренного раствора %	13,174	19,611	40,0
6	Давление вторичного пара ,бар	4,067	2,133	0,2
7	Температура насыщения вторичного пара ºС	144,217	122,28	60,094
8	Энтальпия вторичного пара кДж/кг	2739,77	2710,75	2608,97
9	Удельная теплота парообразования вторичного пара кДж/кг	2132,74	2197,69	2357,11
10	Физико-химическая депрессия град	4,609	7,711	19,028
11	Плотность упаренного раствора кг/м3	1122,47	1184,26	1399,0
12	Давление в среднем слое раствора ,бар	4,162	2,254	0,425
13	Температура насыщения пара в среднем слое , 0С	145,058	124,053	77,380
14	Гидростатическая депрессия град	0,842	1,172	17,286
15	Гидравлическая депрессия град	1	1	1
16	Суммарные депрессионные потери , град	6,451	10,483	37,314
17	Температура греющего пара ºС	158,840	143,217	121,282
18	Энтальпия греющего пара кДж/кг	2756,55	2738,54	2709,32
19	Энтальпия конденсата греющего пара кДж/кг	670,39	602,71	508,81
20	Температура кипения раствора ºС	149,67	131,77	96,41
21	Полезная разность температур ,0С	9,172	11,452	24,873
22	Теплоемкость исходного раствора кДж/(кг·К)	3,630	3,490	3,262
23	Теплоёмкость упаренного раствора кДж/(кг·К)	3,490	3,262	2,820
24	Интегральная теплота растворения кДж/кг	966,0	962,19	952,62
25	Интегральная теплота растворения кДж/кг	962,19	952,62	850,0
26	Расход греющего пара кг/с	1,149	1,069	1,107
27	Теплопроизводительность кВт	2397,4	2284,2	2435,1
28	Ошибка расчета ,%	-	-0,129	-0,058

По температурам конденсации греющего пара в ступенях выпарной установки определяем расчётные коэффициенты А (2.17) :

I ступень:

II ступень:

III ступень:

Коэффициент теплоотдачи и зависят от плотности теплового потока (удельной тепловой нагрузки выпарного аппарата) q, величина которой заранее неизвестна. Поэтому рассчитываем их методом последовательных приближений: задаемся рядом произвольных значений q, производим расчет по (2.15), по (2.18) и К по (2.12). полученные результаты сводим в табл. 3.3. и строим нагрузочные характеристики всех ступеней выпарной установки.

Таблица 3.3 - Расчет коэффициентов теплопередачи

Номер ступени
I	5000 10000 15000 20000	13532 10740 9382 8524	4550 5892 6855 7631	1805 1911 1950 1966	2,77 5,23 7,69 10,17
II	5000 10000 15000 20000	13359 10603 9262 8415	1758 2570 3210 3758	1106 1344 1471 1550	4,52 7,44 10,20 12,90
III	10000 15000 20000 25000	10253 8957 8138 7551	873 1175 1449 1705	666 818 932 1021	15,02 18,35 21,46 24,48

Полезный теплоперепад ступени t град

Удельная тепловая нагрузка q, Вт/м2

Рисунок 3.1 - Нагрузочные характеристики ступеней выпарной установки

Используя эти нагрузочные характеристики, по ранее вычисленным значениям полезных разностей температур (табл. 3.2) определяем расчётные величины удельных тепловых нагрузок по ступеням:

I ступень:

II ступень:

III ступень:

Определяем расчётные значения коэффициентов теплопередачи по ступеням:

I ступень:

II ступень:

III ступень:

10. Распределение полезной разности температур по ступеням

Распределение производим по двум возможным вариантам:

а) выпаривание при одинаковых поверхностях нагрева всех ступеней (2.9);

б) выпаривание с минимальной общей поверхностью нагрева (2.10) , т.е. пропорционально и :

I ступень:

II ступень:

III ступень:

Полезные разности температур по ступеням:

а) б)

10. Определение поверхности нагрева

Расчетные поверхности нагрева ступеней для двух вариантов определяем как:

(3.7)

а) б)

Результаты расчета по п.п.3.10-3.12 сведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4 - Параметры процесса теплопередачи в ступенях выпарной

установки

Параметры	I ступень	II ступень		III ступень
Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара	8830,99	8829,48		7490,99
Коэффициент теплоотдачи при кипении раствора	7330,60	3473,02		1737,61
Коэффициент теплопередачи k,	1,961	1,512		1,032
Удельная тепловая нагрузка q,	18000	17320		25640
При условии равенства поверхностей нагрева,
Полезная разность температур t, град	10,680	13,1999		20,618
Суммарная разность температур, град	44,498
Поверхность нагрева F, м2	114,492	114,492		114,492
Суммарная поверхность нагрева, м2	343,475
При условии min поверхности нагрева,
Полезная разность температур t, град	12,710	14,129		17,659
Суммарная разность температур, град	44,498
Поверхность нагрева F, м2	96,212		106,957		133,677
Суммарная поверхность нагрева, м2	336,846

Таким образом, при одинаковых поверхностях нагрева всех ступеней общая поверхность нагрева больше лишь на 2 %.

По каталогам или нормалям [7] выбираем ближайший (в сторону большего размера) выпарной аппарат типа I с естественной циркуляцией, имеющий действительную поверхность нагрева F=135 м². (приложение Б).

Основные размеры выбранного аппарата приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5 - Основные технические данные. (в мм)

№ п/п	Параметры	Размер
1	Номинальная поверхность теплообмена, м2	125
2	Действительная поверхность теплообмена, м2	135
3	Диаметр греющих труб, d	25
4	Длина (высота) греющих труб, l=Нтр	4000
5	Количество труб, шт.	203
6	Диаметр греющей камеры, Д1	800
7	Диаметр сепаратора, Д2	1400
8	Высота до брызгоотделителя, Н1	1600
9	Высота до отбойника, Н2	500
10	Диаметр циркуляционной трубы, Д3	300
11	Высота аппарата, Н	8310
12	Вес аппарата G, кг	5500