Лабораторная работа №4 Отбор экстра пара в выпарной установке

Цель работы: определение тепловых нагрузок трех корпусной выпарной установки в зависимости от производительности и глубины выпаривания. Анализ экономической эффективности выпаривания.

Схема установки

1- парогенератор, 2 – отвод конденсата, 3 – греющая камера, 4 – циркуляционная труба, 5 – отвод вторичного пара, 6 – выход упаренного раствора, 7 – барометрический конденсатор.

5 Пар W₁ Пар W₂ 7

Пар W₃

6

3

4

Исходный G_1,х₁ G₂, _,х₂

раствор

G_н, х_н Конечный

1

Раствор G_к,x_к

Греющий пар

Линия конденсата

2

Описание установки

Из парогенератора 1 в греющую камеру 3 первого корпуса поступает насыщенный водяной пар под давлением Р_гр=1 Мпа. За счет циркуляции через трубу 4 происходит равномерное кипение исходного раствора. Вторичный пар 5 , образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор 6 из 1-го корпуса. Отработанные пары отводятся в линию конденсата 2. Аналогично происходит выпаривание раствора во втором и третьем корпусах. Само-произвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7, где заданное давление Р_бк поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов.

1 Расчет температур кипения растворов

Общее количество вторичного пара W=W₁+W₂+W₃ определяется из уравнения материального баланса

(1)

где x_н x_к - начальная и конечная концентрации растворов, G_н – производительность по исходному раствору. Для расчета количеств вторичного пара по корпусам W_1,W_2,W₃ вводится эмпирическое соотношение W1:W2:W3=1:1,1:1,2. Откуда получаем

(3)

А также концентрации упаренных растворов по корпусам (x₃= x_к)

(4)

Полученные концентрации из (4) используются далее для расчета температур кипения. Расчет давлений в линиях отвода вторичного пара производится путем равного распределения давлений по корпусам между Р_гр (давлением греющего пара) и Р_бк (давление в барометрическом конденсаторе):

(5)

где .

Следующим шагом в расчете является определение гидравлических (), гидростатических (), и температурных () депрессий. В этом случае можно легко вычислить температуры кипения растворов t₁, t₂, t₃

(6)

где , , - температуры насыщенного водяного пара при давлениях , , .

Как правило, значения гидравлических депрессий невелико и их обычно принимают в пределах 1-2⁰ С (в данной лабораторной работе ). Для расчета гидростатической депрессии обычно пользуются формулой для перепада давления в кипятильных трубах

(7)

где - среднее давление в кипятильной трубе, - давление вторичного пара, - высота кипятильных труб ( для этого расчета принимается равной 4-5м), - газо-содержание ( принимается в среднем 0,5 т.е 50%).

Температурная депрессия определяется по формуле

(8)

где - температурная депрессия при атмосферном давлении, г_пар – удельная теплота парообразования, определяемые из справочных данных.

2. Расчет кинетических коэффициентов К и удельных тепловых нагрузок q.

Для расчета тепловых нагрузок используется уравнение для коэффициента теплопередачи

(9)

где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке, - коэффициент теплоотдачи от кипящего раствора к стенке, =2мм – толщина стенки, = 46,5 Вт/мК (сталь) –коэффициент теплопроводности стенки. Коэффициенты теплоотдачи записываются в виде:

, (10)

, (11)

где теплофизические параметры пара и воды при температуре конденсации.

- теплопроводность воды, - теплота парообразования , , - плотность и вязкость воды.

теплофизические параметры раствора

при температуре кипения.

- теплопроводность раствора, - вязкость раствора, - теплота парообразования,- поверхностное натяжение. Из (10) (11) с учетом , где , составляется система нелинейных уравнений для каждого корпуса.

(12)

Уравнения (12) решаются для каждого корпуса. Решением являются и .

3. Компьютерный расчет кинетических коэффициентов и удельных нагрузок

В редакторе EXEL вводятся исходные данные вида

	CaCl2		Исходные данные:
Производительность по исходному раствору кг/ч						10000
Начальная концентрация раствора %						8
Конечная концентрация раствора %						30
Давление греющего пара, атм						10
Давление в барометрическом конденсаторе, атм						0,3

По формулам (1)-(8) и справочным данным, указанным в программе рассчитываются температуры кипения растворов и конденсации вторичных паров . Далее вычисляются значения и по (10), (11). Для этого в программе предусмотрена процедура составления таблицы с использованием различных теплофизических параметров с указанием источников.

			Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3
Греющие теплоносители (вод пар)			гр. пар	вт пар 1	вт. пар 2
Температуры			179	163	137
Параметры конденсата:
Теплопроводность Вт/мК			0,675	0,68	0,685	Таблица XXXIX [1]
Плотность кг/м3			887	900	920	Таблица XXXIX [1]
Вязкость Па с			0,000153	0,000174	0,000196	ТаблXXXIX [1]
Теплота парообразования Кдж/кг			2024	2080	2150	Табл LVI [1]

Коэффициент теплоотдачи пара определяется a=Aп/q^0,333 [1]
Ап=		311381,8	306079,03	303957,8

Кипящий раствор

Давления, Мпа		0,7108	0,371	0,044
Температуры 0С		171,74	152,85	102,55
Концентрации кг/кг		0,10	0,15	0,3
Теплопроводность Вт/мК (при 0С)		0,56	0,52	0,47	Таблица LI [1]
Вязкость (дин) Па с (при 0С)		0,0055	0,0054	0,0057	Таблица LI [1]
Плотность кг/м^3 (при 0С)		1080	1100	1280	Таблица LI [1]
Пов. Натяжение Н/м (при18С)		0,074	0,074	0,074	Прил 3 [2]
Теплоемкость Кдж/кгК (при 0С)		3,6	3,59	2,75	Таблица LII [1]

Коэффициент теплоотдачи пара определяется a=Aр*q^0,67 [1]
Ар=			2,834743	2,7698427	1,275129

Расчет тепловых нагрузок по уравнениям (12) выполняется численно путем подбора значений минимизируя ошибку вычисления, которая контролируется визуально в таблице вида

Корпус 1:	3,211E-06	q^1,34+	0,35276	q^0,33+	4,30108E-05	=	7,26
Решение:	q1=	7700	Вт/м^2	Ошибка %
	К1=	1060,60	Вт/м^2
Корпус 2:	3,267E-06	q^1,34+	0,36103	q^0,33+	4,30108E-05	=	10,15
Решение:	q2=	15800	Вт/м^2	Ошибка %	0,057476175
	К2=	1556,98	Вт/м^2К
Корпус 3:	3,2893E-06	q^1,34+	0,78434	q^0,33+	4,30108E-05	=	34,45
Решение:	q3=	50200	Вт/м^2	Ошибка %	0,013393
	К3=	1457,24	Вт/м^2К

Компьютерный расчет позволяет довольно быстро составить зависимость теплоты экстра пара и от давления греющего пара и концентрации раствора. Эти данные заносятся в таблицу:

Теплота экстра пара, Q
Q	Р	Х1нач

Пример контрольного задания: Для раствора СаCl₂ c начальной концентрацией Х_нач=10% и производительностью G₁=10000кг/ч, G₁=5000кг/ч, Х_1кон= 25% , Х_2кон= 30% составить регрессионную модель процесса выпаривания.

Построить таблицу отбор экстра пара и проанализировать степень влияния на теплоту отбора Q от давления греющего пара и концентрации раствора.