4. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора СаCl₂ в интервале изменения концентраций от х_н до х_к [4]. При этом надо учесть, что в сплаве должен содержаться молибден для устойчивости к точечной коррозии. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17H13M3T. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст= 17,5 Вт/м∙К.

4. Расчет коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

; (3.7.1)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δ_ст/λ_ст и накипи δ_н/λ [5]. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Σδ/λ= δ_ст/λ_ст+ δ_н/λ_н = 0,002/17,5+0,0005/3,2= 3∙10^-4 м²∙К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке α₁ равен [5]:

α₁=2,04∙, (3.7.2)

где r—теплота конденсации греющего пара. Дж/кг; ρ_ж, λ_ж, μ_ж—соответственно плотность (кг/м³) , теплопроводность Вт/(м∙К), вязкость (Па∙с) конденсата при средней температуре пленки t_пл=t_гп+Δt₁/2,. где Δt₁ — разность температур конденсации пара и стенки, град:

Расчет α₁ ведем методом последовательных приближений. В первом приближении пусть Δt₁ = 8,4 ⁰C.

t_пл= (77,1−8,4/2) =73,31ºС. (3.7.3)

По справочной литературе [4] определяем: Δt_пл=140 ºС; r= 2321∙10³ Дж/кг; ρ_ж = 1153 кг/м³ ; λ_ж = 0,043 Вт/м∙К ; μ_ж = 0,670∙10-³ Па∙c.

Коэффициент α₁ по формуле равен:

α₁=2,04∙(2321∙10³∙1153²∙0,043³/(0,670∙10^-3∙6∙8,4))^1/4=4546,51 Вт/(м²∙К). (3.7.2)

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение:

q= α₁∙ Δt₁= Δt_ст/(∑δ/λ) = α₂∙ Δt₂; (3.7.4)

где q ─ удельная тепловая нагрузка, Вт/м², Δt_ст—перепад температур на стенке, град; отсюда

Δt_ст = α₁∙ Δt₁ (∑δ/λ)=4546,51∙8,4∙ 3∙10^-4=11,46ºС. (3.7.5)

Тогда

Δt₂ = Δt_пол- Δt_ст- Δt₁=27,125–11,46–8,4 = 7,27ºС. (3.7.6)

В аппаратах с с сосной греющей камерой, а также в аппаратах с принудительной циркульцией обеспечиваются высокие скорости движения растворов в трубах греющей камеры в следствие этого – устойчивый турбулентный режим течения. Принимая во внимание, что разность температур теплоносителей (греющего пара и кипящего раствора) в выпарном аппарате невелика, для вычисления коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости используют уравнения [5]:

α₂= (Nu∙ λ)/d, (3.7.7)

где Nu − критерий Нуссельта; λ − теплопроводность Вт/(м∙К); d− диаметр, м.

Для определения критерия Нуссельта справедливо следующее уравнение:

Nu = 0,023∙Re^0,8∙Pr^0,4, (3.7.8)

где Re − критерий Рейнольдса; Pr − критерий Прандтля.

Re=ω∙d∙ρ/μ, (3.7.9)

где ω − скорость раствора в трубах, м/с; d− диаметр трубы, м; ρ - плотность раствора, кг/ м³; μ − вязкость раствора, Па∙с.

По справочной литературе: ρ =1166 кг/ м³ [4]; μ =1,060∙10^-3 Па∙с [4].

Re =2,3∙0,034∙1166/1,060∙10^-3 =96140,

Определяем критерий Прандтля из уравнения[5]:

Pr =c∙ μ/ λ , (3.7.10)

где c − теплоемкость раствора, Дж/кг∙К, c =3158,5 Дж/кг∙К [4]; λ =0,617 Вт/(м∙К) [4].

Pr = 3158,5∙1,060∙10^-3 /0,617=5,43,

Отсюда, подставив численные значения в формулы (3.7.7 - 10) получим:

Nu = 0,023∙96140^0,8∙5,43^0,4=439,05.

α₂= 439,05∙0,617/0,034=7128,79 Вт/м²∙К

Проверяем правильность приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q^'= α₁Δt₁=4546,51∙8,4=52103 Вт/м²

q^''= α₂Δt₂=7128,79∙7,27= 51826,3 Вт/м²

q^'≈ q^''.

Расхождение между тепловыми нагрузками составляет 0,5%, расчет коэффициентов α₁ и α₂ закончен. Находим К₁ по уравнению (3.7.1):

К₁=1/(1/4546,51+3∙10^-4+1/7128,79) = 1666,67 Вт/(м²К)