2.3.8. Тепловий розрахунок випарних установок

Задачею теплового розрахунку випарної установки являється визначення поверхні нагріву окремих корпусів (ступіней) при заданих умовах теплового режиму чи виявлення оптимального режиму роботи установки при заданих поверхнях нагріву. При проектуванні нових установок завжди визначають поверхню нагріву окремих ступіней. На основі техніко-економічної оптимізації установлюються значення наступних величин: виробності установки по слабому чи міцному розчину, початковій і кінцевій концентрації розчину, температури розчину початкової концентрації, параметрів гріючого пара чи іншого джерела теплоти, параметрів відбираємого із кожної ступені екстра-пара для зовнішніх по відношенню до випарної установки споживачів, параметрів вторинного пара останньої ступені, температури охолоджуючої води чи повітря на вході в конденсатор, числа ступіней випарної установки.

У розрахунку визначають витрату гріючого пару, параметри пара і розчину по окремим ступеням, поверхні нагріву окремих ступіней, кількості відбираємого екстра-пара із окремих ступіней для попереднього підігріву розчину початкової концентрації.

Об’ємна витрата випареної води W, кг/с, визначається із рівняння матеріального балансу випарювання, яке без урахування втрат має вигляд:

, (18)

де - початковий і кінцевий масові витрати розчину ,кг/с; - початкова і кінцева масові концентрації розчину в процентах загальної маси.

Позначив через масу води, випареної із 1 кг розчину початкової концентрації, останнє рівняння можна представити у вигляді

. (19)

Масова витрата води, випареної в першому корпусі (індекси 0 – початковий стан; 1 – після 1-го корпусу і т.д.),

. (20)

Концентрація розчину в любому корпусі

, (21)

де - повна масова витрата води, випареної у всіх корпусах, кг/с.

Розподіл корисної різниці температур по корпусам. Різниця між температурою гріючого пара, який потрапляє в першу ступень випарної установки , і температурою вторинного пара із останньої ступені при вході в конденсатор називається загальною чи розташованою різницею температур :

. (22)

Корисна різниця температур менше загальної різниці температур на значення температурних втрат: температурної депресії розчину гідростатичної депресії і гідравлічної депресії .

Корисна різниця температур в одноступінчастій випарній установці

,

чи . (23)

В установках, які працюють з видачею вторинного пара із останньої ступені в атмосферу, сумарна корисна різниця температур

.

При рівності поверхонь нагріву у всіх апаратах сумарна корисна різниця температур розподіляється по корпусам пропорційно відношенням теплових навантажень до коефіцієнтів теплопередачі:

. (24)

При початковій умові мінімальної сумарної поверхні нагріву у всіх корпусах випарної установки, тобто

, (25)

сумарна корисна різниця температур визначається по формулі

(26)

При проектуванні випарної установки можливий варіант, коли поверхні нагріву мають в сумі мінімальне значення при однаковому значенні їх в кожному корпусі: і сума поверхонь . Задовольняння одночасно рівнянню поверхонь нагріву у всіх апаратах і мінімум їх суми може бути забезпечено тільки у випадку рівняння корисної різниці температур у всіх корпусах випарної установки, тобто

. (27)

Оптимальне число ступіней установки. Багатоступінчасте випарювання дає можливість мати значну економію теплоти. З урахуванням втрат теплоти масова витрата гріючого пара D, кг/с, у випарній установці з n ступенями можна виразити формулою

, (28)

де W – загальна кількість випареної води у всіх ступенях установки, кг/с; - коефіцієнт, який враховує втрати теплоти у навколишнє середовище через ізоляцію, недовикористання теплоти конденсату, а також збільшення схованої теплоти випарювання із зниженням тиску пара (для 3 – 4-корпусних установок =0,85).

Із збільшенням числа ступіней прирощення економії теплоти знижується, подовжується і ускладнюється загальна схема, підвищується вартість установки, ускладнюються умови експлуатації. Теоретичною границею числа ступіней у випарній установці являється таке число їх, при якому корисна різниця температур на один корпус не знижується нижче мінімального позитивного значення. Для малов’язких розчинів в першому корпусі це значення не повинно бути менше 10, а в останніх корпусах, де в’язкість розчину висока чи сильно випадають кристали, корисна різниця температур повинна бути 28-30 і більше. Доцільне число ступіней в установці з багатократним випарюванням визначають багатоваріантними економічними розрахунками на ПЕМ.

Спрощено представив економічні затрати на процес випарювання у вигляді трьох складених: вартості теплоти, затрат на обслуговування; амортизаційних відрахувань; можна сумарні затрати на випарювання в установках з різним числом ступіней представити у вигляді графіка (рис. 2.48). Прийнято, що витрата пара з ростом числа ступіней знижується; затрати на обслуговування не змінюються, а амортизаційні витрати збільшуються пропорційно числу ступіней. Сумарні затрати мають мінімум, який для сучасних випарних установок відповідає 3 – 4 ступіням випарювання.

Рис. 2.48. Визначення оптимального числа ступіней у багатоступінчастій випарній установці: а – сумарні затрати; б – затрати на виробництво гріючого пара; в – амортизаційні витрати; г – затрати на обслуговування.

Розрахунок поверхні нагріву рекуперативних випарних апаратів нічим не відрізняється від аналогічних розрахунків рекуперативних теплообмінників (див. п. 2.2.2).

Коефіцієнт тепловіддачі від пара, який конденсується, до поверхні нагрівальних труб визначають по формулам, які приведені в розд. 2 кн. 2 дійсної серії.

Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні розчину в гріючих трубах з вертикальним розташуванням при природній циркуляції можна визначити по формулі

(29)

чи

, (30)

де

;

;

; - теплопровідність розчину, Вт/(м-К); - густина рідини і пара, кг/; - густина пара при р=0,098 МПа, кг/; - поверхневе натягнення, Н/м; r – схована теплота пароутворення, Дж/кг; с – питома теплоємність розчину, Дж/(кг-К); - динамічна в’язкість розчину, Н-с/; q – густина теплового потоку, Вт/; m – добуток середнього діаметра пузирчиків, які утворюються при кипінні, на число пузирчиків, які утворюються у одиницю часу , м/с .

Границі застосування формул (29) і (30) обмежуються параметрами р=0,01-7,2 МПа; Pr=0,8-100; q – (9-150) Вт/.

Після конструктивного розрахунку гріючої камери (довжини і діаметра труб, прохідних перерізів трубного і міжтрубного просторів, діаметрів гріючої камери і обичайки апарата, перегородок і т.д.) виробляють розрахунок циркуляції розчину (див. розд. 3 кн. 3 дійсної серії). Для знешкодження інкрустації поверхні нагріву швидкість розчину на вході в гріючі труби повинна бути не менше 2,5 м/с. При багатократній циркуляції розчину існує поняття „кратності циркуляції” , тобто відношення кількості розчину G, кг/с, циркулюючого у випарному апараті, до кількості випареної із нього вологи W, кг/ч. У випарних апаратах кратність циркуляції =G/W=20-40.

Методика розрахунку циркуляції описана в .