- •«Национальный исследовательский ядерный университет «мифи» Северский технологический институт – филиал нияу мифи (сти нияу мифи)
- •Введение
- •1 Цель расчета
- •2 Данные для расчета
- •3 Тепловой расчет аппарата
- •3.1 Цель теплового расчета
- •3.2 Определение средней разности температур и расхода пара
- •3.3 Определение значений удельного теплового потока
- •3.5 Сводная таблица теплового баланса
- •3.4 Определение истинных значений удельного теплового потока, коэффициента теплопередачи, температур стенок, поверхности теплопередачи
- •4 Конструктивный расчет
- •4.1 Основные технические данные аппарата
- •4.2 Подбор рубашки
- •4.3 Подбор мешалки
- •4.4 Расчет диаметров патрубков
- •4.5 Подбор фланцев
- •4.6 Подбор штуцеров
- •4.7 Подбор днища аппарата
- •4.8 Расчет толщины теплоизоляции
- •5 Прочностной расчет
- •6 Расчет мешалки и подбор привода
- •7 Подбор опор
- •Заключение
- •Список литературы
3 Тепловой расчет аппарата
3.1 Цель теплового расчета
Целью является составление теплового баланса, определение расхода теплоносителей, истинных значений удельной тепловой нагрузки и коэффициента теплопередачи, поверхности теплообмена.
Расчет тепловых потоков проводится на основании уравнения теплового баланса, которое запишется в общем виде [1, с.26]:
Qприх.=Qрасх,
где Qприх – количество тепла, вносимое в аппарат с теплоносителем и исходными реагентами, Вт;
Qрасх. – количество тепла, уносимое из аппарата продуктами, идущее на нагрев аппарата и теряемое в окружающую среду, Вт.
Так как носителями тепла являются водяной пар и раствор соли, тепловую нагрузку аппарата определяют из уравнения теплового баланса по формуле:
(1)
где Д – расход пара, кг/с;
iп – энтальпия насыщенного пара, Дж/кг;
iк – энтальпия конденсата, Дж/кг;
η – коэффициент полезного использования тепла в аппарате, η = 96%;
G – массовый расход нагреваемого раствора, кг/с;
С – удельная теплоемкость нагреваемого раствора, Дж/(кг·0С);
Δt – разность начальной и конечной температур раствора, 0С.
3.2 Определение средней разности температур и расхода пара
В случае конденсации пара в гладкой рубашке средняя разность температур определяется по формуле [1, с 29]:
,
(2)
где
– температура конденсации пара;
–
температура
перемешиваемой жидкости на выходе из
аппарата.
Так как давление греющего пара р=0,3 МПа, то по [2, с.549] tконд=133,540С, tж принимается как конечная температура нагреваемого раствора, tж=800С.
Разность энтальпий пара и конденсата при одинаковой температуре равна удельной теплоте парообразования при этой же температуре:
.
По [2, с.550] при tконд=133,540С удельная теплота парообразования r=2169,26 кДж/(кг·0С). По [3, с.808] при tконд=133,540С удельная теплоемкость NaCl С=3854,521 Дж/(кг 0С).
Из (1) выразим и найдем расход пара:
кг/с.
3.3 Определение значений удельного теплового потока
При пленочной конденсации насыщенного пара на вертикальной поверхности высотой Н в паровой рубашке аппарата при ламинарном течении пленки конденсата средний коэффициент теплоотдачи α1, Вт/(м2·К), определяется по формуле Нуссельта [1, с 30]:
,
(3)
где λ – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м·К);
ρ – плотность конденсата, кг/м3;
r – удельная теплота конденсации, Дж/кг;
g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;
μ – динамический коэффициент вязкости, Па·с;
Н – высота рубашки аппарата, примем Н=1 м;
tстI – температура стенки, 0С;
tконд – температура конденсации пара, 0С.
Значения физико-химических констант конденсата можно принимать с достаточной для технических расчетов точностью при температуре конденсации [1, c.30].
При tконд=133,540С по [2, с.537]: ρ=935 кг/м3, λ=68,6·10-2 Вт/(м·К), μ=212·10-6 Па·с.
Задаемся рядом значений tстI от tконд до (tконд – Δtср), то есть от температуры 133,540С до 133,54 – 53,54 = 800С:
t1cт1=1300С, t11cт1=1200С, t111cт1=1100С, t1Vcт1=1050С, tVcт1=1000С.
Тогда согласно формуле (3) получим:
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К).
Определяем удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи по формуле [1, с.37]:
.
(4)
Подставив полученные значения αIi в формулу (4), получим:
Вт/м2;
Вт/м2;
Вт/м2;
Вт/м2;
Вт/м2.
Определим ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости по формуле [1, с.37]:
,
(5)
где δст – толщина стенки аппарата, примем δст=0,008 м, [1, с.50];
λст – коэффициент теплопроводности стенок, λст=17,5, [1, с.50].
Подставив значения в формулу (5), получим:
0С;
0С;
0С;
0С;
0С.
Коэффициент теплоотдачи в аппаратах с рубашкой и лопастной мешалкой рассчитывается по следующим критериальным уравнениям [2, c.159]:
,
(6)
,
(7)
,
,
,
где Nu – критерий Нуссельта;
D – диаметр аппарата, м, примем D=1,4 м [1, c.50];
n – число оборотов мешалки, n=3, [1, с.50];
Г – симплекс геометрического подобия;
dм – диаметр мешалки, м, dм=0,42 [1, с 50];
С – теплоемкость раствора соли, Дж/(кг·К);
μ –коэффициент вязкости соли при t=0,5(tст+tср.ж), Па·с;
μст – коэффициент вязкости соли при температуре стенки рубашки, Па·с.
t=0,5·(tст+tср.ж),
где tст – температура стенки со стороны пара, tст=tконд=133,540С;
tср.ж– средняя температура жидкости, по (1) принимаем tср.ж=tIIcp=tкон=800С.
t=0,5·(80+133,54)=106,770С.
При t=106,770С μ=0,00046 Па·с [2, с.517].
Значения физико-химических констант жидкости выбираются при средней температуре жидкости в аппарате tср.ж=tкон=800С.
По [3, с.805], [3, с.809], [3, с.811] выберем значения ρ, C и λ для NaCl: С=3896,7 Дж/(кг·К), ρ=1120 кг/м3, λ=0,6438 Вт/(м·К).
Значения констант с и m по [1, c.50] для аппаратов с рубашками: c=0,36, m=0,67.
;
;
.
Определим значения μст при температурах tст11 [2,c.817]:
tст11i, 0С – |
μст, Па·с; |
112,3980С – |
0,00042 Па·с; |
71,860С – |
0,000515 Па·с; |
37,110С – |
0,00103 Па·с; |
20,780С – |
0,00156 Па·с; |
4,940С – |
0,00267 Па·с. |
Для каждого значения tст11i посчитаем значение Nu по формуле (6):
;
;
;
;
.
Из формулы (7) выразим значение коэффициента теплоотдачи:
.
Подставив известные значения получим:
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К).
Посчитаем тепловые потоки со стороны холодного теплоносителя [1, с.38]:
;
Вт/м2;
Вт/м2;
Вт/м2;
Вт/м2;
Вт/м2.
