3. Расчёт подогревателя исходного раствора

Расчет этого теплообменника заключается в определении тепловой нагрузки Q, расхода греющего пара D_под, необходимой поверхности теплообменника F и подбора теплообменника по каталогам.

3.1 Расчет тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка, то есть необходимый тепловой поток Q для нагрева S₀ = 2,78 кг/с исходного раствора от начальной температуры t_н до температуры t₀ =96°С, при которой исходный раствор подается в первый корпус выпарной установки.

Тепловая нагрузка теплообменника:

, кВт (3.1)

где с₀-удельная теплоемкость 4,19 кДж\кг*К; при средней его температуре в теплообменнике: t_ср=(t₀+t_н)/2 °С. tср = (96+24)/2 =60°С → при a₀ = 17% и t_ср = 60°С для нитрата аммония = c₀ = 3,69 кДж/К∗кг [4, с.36];

- производительность по исходному раствору, кг/с;

и - температура кипящего раствора в подогревателе и на входе в первый корпус,

=738,6, кВт

3.2. Расход греющего пара

(3.2)

где тепловой поток, кВт;

r_п - теплота конденсации пара при Т₁=142,7, r_п = 2145, кДж/кг.

3.3 Расчет требуемой поверхности теплообмена подогревателя

Поверхность теплообмена подогревателя определяем из уравнения теплопередачи:

, м² (3.3)

где ;

К- коэффициента теплопередачи, Вт\ ;

средняя движущая сила процесса теплопередачи при движении теплоносителей в режиме идеального вытеснения, находится как среднее логарифмическое значение из движущих сил на концах теплообменника, ^○С.

(3.4)

где -температура греющего пара в первом корпусе, ;

- температуры кипящего раствора в подогревателе и на входе в первый корпус,

(3.5)

Так как неизвестны значения А и , зная К=800 3500 Вт\ . Примем К_ор = 1000 Вт/(м² ∙ К).

Получаем ориентировочное значение поверхности теплообмена:

Подбираем теплообменник большего диаметра по каталогу [5, с. 51] со следующими параметрами:

• Поверхность теплообмена F = 11,5 м²;

• Диаметр труб dx𝛿= 20×2мм;

• Длина труб Н = 3м;

• Число труб n = 61

• Число ходов z =1

𝑑внутр = 20 − 2 ∗ 𝛿 = 20 − 2 ∗ 2 = 16 мм = 0,016 м

Сечение трубного пространства:

Для вертикального теплообменника:

(3.6)

где стенки труб, ;

кг/м³;

- теплота парообразования, Дж/кг;

– кинематическая вязкость, м²/с;

Н-длина труб,м.

Заполняем таблицу 3.1 по данным из [4, с. 26].

Таблица 3.1. Параметры конденсата (воды)

Параметр, ед. изм.	Температура Т1=142,7
Теплопроводность конденсата,	0,685
Плотность конденсата, ρ [кг/м3]	926,1
Вязкость конденсата, * [м2/с]	0,214
Вязкость конденсата, μ * [Па∗с]	201,1
Теплота парообразования, r [Дж/кг]	2145,0

= 7292,5

A₀ – комплекс теплофизических величин при температуре конденсата 𝑇₁ =142,7°C

Теплопроводность материала стенки труб (углеродистая сталь)

, поэтому .

3.4. Расчет коэффициента теплоотдачи (от стенки трубы к раствору):

- для 17% раствора нитрата аммония при температуре 60 °С находим: плотность , кинематическая вязкость , теплопроводность раствора , число Прандтля Pr=2,98 [3, с.16-30]

- скорость жидкости в трубах по формуле:

(3.7)

где - производительность по исходному раствору, кг/с;

- число ходов;

- кг/м³;

сечение трубного пространства, м².

- критерий Рейнольдса:

(3.8)

где w-скорость жидкости в трубах, м/с;

d-внутренний диаметр труб, м;

-кинематическая вязкость, м²/с.

Критерий Нуссельта при переходном режиме определяем по графику [2, стр. 152]: Nu=22, 5

- коэффициент теплоотдачи:

, (3.9)

где - число Нуссельта,

-теплопроводность раствора,

d-внутренний диаметр трубок,м.

После подстановки значений имеем:

Таблица 3.2. Расчёт итерации

K=932,18 .

Поверхность теплообмена:

Выбранный теплообменник с F=11,5м² достаточен.