1. Теплотехнический расчет выпарных аппаратов

1.1. Физико-химические свойства раствора, водяного пара и его конденсата, выбор конструкционного материала

Для теплотехнических расчетов аппаратов требуется знание следующих физико-химических характеристик веществ:

• Температура кипения раствора при нормальном (атмосферном) давлении в зависимости от концентрации растворенного вещества;

• Теплоемкость, кинематическая вязкость и теплопроводность раствора в зависимости от температуры и концентрации растворенного вещества;

• Температура водяного пара на линии насыщения в зависимости от давления;

• Энтальпия водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры (давления);

• Теплопроводность, плотность, вязкость, теплота парообразования воды на линии насыщения в зависимости от давления;

Греющий пар (Р_гр = 3,99 кгс/см², [2, с. 548]:

• Температура греющего пара Т_гр = 142,7 ^оС;

• Энтальпия пара h_п = 2743,9 кДж/кг;

• Теплота парообразования r = 2137 кДж/кг;

Конденсат греющего пара при Т_гр = 142,7 ^оС [4, с.26]:

• Энтальпия конденсата i_к = 598 кДж/кг;

• Теплопроводность конденсата λ_к = 0,685 Вт/(м*К);

• Плотность конденсата ρ_к = 923,6 кг/м³;

• Динамическая вязкость конденсата μ_к = 0,0001972 Па*с;

Раствор нитрата калия, при конц. 14% масс. [3, с.14-24]:

• Температура кипения при нормальном давлении t = 101,1 ^oC

• Средняя температура раствора ^oC

• Плотность ρ_р = 1042 кг/м³;

• Кинематическая вязкость ν_р = 0,300 ∙ 10^-6 м²/с;

• Теплоемкость с_р = 3,77 кДж/(кг*К)

• Теплопроводность λ_р = 0,681 Вт/(м*К);

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 = 4,44 кг/с исходного раствора от начальной температуры t_н до температуры t₀ =84°С, при которой исходный раствор подается в первый корпус выпарной установки.

Тепловая нагрузка теплообменника:

, кВт (3.1)

где с₀-удельная теплоемкость 3,23 кДж\кг*К; при средней его температуре в теплообменнике: t_ср=(t₀+t_н)/2 °С. tср = (84+30)/2 =57°С → при a₀ = 8% и t_ср = 57°С для нитрата калия = c₀ = 3,98 кДж/К∗кг [4, с.35],

- производительность по исходному раствору, кг/с,

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

=954,245, 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 выпарного аппарата 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,

Для расчета необходимо задаться условием, что поверхности теплообмена корпусов равны, т.е. F₁ = F₂.

(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 = 12,5 м²;

• Диаметр труб dx𝛿= 20×2мм;

• Длина труб Н = 2м;

• Число труб n = 100

• 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 .