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]:

Q_прих.=Q_расх,

где Q_прих – количество тепла, вносимое в аппарат с теплоносителем и исходными реагентами, Вт;

Q_расх. – 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;

i_п – энтальпия насыщенного пара, Дж/кг;

i_к – 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] t_конд=133,54⁰С, t_ж принимается как конечная температура нагреваемого раствора, t_ж=80⁰С.

Разность энтальпий пара и конденсата при одинаковой температуре равна удельной теплоте парообразования при этой же температуре:

.

По [2, с.550] при t_конд=133,54⁰С удельная теплота парообразования r=2169,26 кДж/(кг·⁰С). По [3, с.808] при t_конд=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 α_1, 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;

t_стI – температура стенки, ⁰С;

t_конд – температура конденсации пара, ⁰С.

Значения физико-химических констант конденсата можно принимать с достаточной для технических расчетов точностью при температуре конденсации [1, c.30].

При t_конд=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 t_стI от t_конд до (t_конд – Δt_ср), то есть от температуры 133,54⁰С до 133,54 – 53,54 = 80⁰С:

t¹_cт1=130⁰С, t¹¹_cт1=120⁰С, t¹¹¹_cт1=110⁰С, t^1V_cт1=105⁰С, t^V_cт1=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 α_Ii 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 δ_ст – толщина стенки аппарата, примем δ_ст=0,008 м, [1, с.50];

λ_ст – коэффициент теплопроводности стенок, λ_ст=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;

d_м – диаметр мешалки, м, d_м=0,42 [1, с 50];

С – теплоемкость раствора соли, Дж/(кг·К);

μ –коэффициент вязкости соли при t=0,5(t_ст+t_ср.ж), Па·с;

μ_ст – коэффициент вязкости соли при температуре стенки рубашки, Па·с.

t=0,5·(t_ст+t_ср.ж),

где t_ст – температура стенки со стороны пара, t_ст=t_конд=133,54⁰С;

t_ср.ж– средняя температура жидкости, по (1) принимаем t_ср.ж=t_IIcp=t_кон=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 t_ср.ж=t_кон=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 μ_ст при температурах t_ст11 [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 t_ст11i 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.