4.2 Расчёт вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора в единицу времени:

G_возд. =2.5*10^-5 (W_пс + G_в ) + 0.01* W_пс

где 2.5*10^-5 – массовый расход газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 – массовый расход газа, подсасывающегося в конденсатор через неплотности, на 1 кг пара.

Эта формула учитывает, что весь неконденсируемый газ из поверхностного конденсатора отсасывается через барометрический конденсатор.

G_возд = 2,5*10^-5(5,9288+13,2315)+0,01*5,9288= 0,0598 кг/с

Объемную производительность вакуум-насоса рассчитывают по формуле

R(273 + t_возд)

V_возд = G_возд -----------------

M_возд * Р_возд

где R = 8310 Дж/(кмоль*К) – универсальная газовая постоянная;

M_возд – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

t_возд – температура воздуха, °С;

Р_возд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

t_возд = t_н + 4 + 0.1*( t_к + t_н)

где t_к и t_н – конечная и начальная температура воды, °С;

t_возд = 20+ 4 + 0,1(58.13 +20) = 31.813°С

Величину Р_возд определяют по формуле:

Р_возд = Р_бк - Р_п,

где Р_бк - абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, равное (в первом приближении) абсолютному давлению в сепараторе последнего корпуса Р_пс, Па;

Р_п – давление насыщенного водяного пара при температуре t_возд, Па находим методом линейной интерполяции по учебному пособию [4];

Р_бк = 27300 Па

Р_п = 3827.039 Па

Р_возд =27300 – 3827.039 = 23472,961 Па

8310(273+31.813)

V_возд = 0,0598----------------------- = 0,2225 м³/с = 13,35 м³/мин

29*23472,961

Выбор вакуум-насоса произвожу по учебному пособию [3] по объемной производительности V_возд и степени разрежения от атмосферного давления

А = (В/101.3)*100%,

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, кПа.

А=(83,3/101.3)*100% = 82,2 %

По объемной производительности V_возд = 6.82 м³/мин выбираем вакуум-насос типа ВВН-12

4.3. Расчет подогревателей раствора

Поскольку для эффективной работы установки в выпарные аппараты раствор должен поступать при температуре не ниже его температуры кипения в этих аппаратах, то схемой установки на линии подачи исходного раствора и на противоточных участках схемы предусмотрена установка подогревателей раствора. Температуры раствора на входе в любой подогреватель и на выходе из него определяются их расположением в схеме и были приняты ранее при решении системы уравнений теплового баланса выпарки.

Считая, что в качестве подогревателей раствора установлены одноходовые кожухотрубные теплообменники, проведем их упрощенный расчет, определив требуемую поверхность нагрева и расход греющего пара. Так как схемой установки отбор экстра-пара на подогреватели не предусмотрен, то в качестве греющего пара в них используется пар таких же параметров, как для первого корпуса.

Поверхность нагрева любого подогревателя нахожу из основного уравнения теплопередачи

F=Q/K*∆t_cр,

где Q – количество теплоты, необходимое для нагрева раствора, Вт;

K – коэффициент теплопередачи в подогревателе, Вт/м²К;

∆t_ср – средняя движущая сила теплопередачи, °С

Тепловой поток Q от греющего пара к раствору в подогревателе определяют по формуле:

Q=G_pс_p(t_вых - t_вх),

где

G_р – расход раствора, кг/с;

с_р – теплоемкость раствора, Дж/кгК

t_вх и t_вых – температуры раствора на входе и выходе

Все эти параметры определяются местом расположения подогревателя на схеме. Для подогревателя, расположенного на линии подачи исходного раствора в установку, значение K_под примем по значениюK_ва в том корпусе, в который после подогревателя поступает раствор, сохраняя предыдущее условие о возможном ухудшении условий теплообмена.

Подогреватель перед 1 корпусом.

K_под = 1,2* K_ва =1,2*1677,144 = 2012,57кВт/м²К

Расчет поверхности нагрева:

Q= 24,167* 3843,9*(68,628-45) = 2194,94 кВт/ м²К

Расчет средней движущей силы в подогревателе провожу по формулам учебного пособия [2]:

∆t_δ = 112,7979-64.413 = 49.517°С

∆t_м = 112,7979-90.16327=23.766°С

Т.к. ∆t_δ/∆t_м =2,08> 2 , то ∆t_ср рассчитываем по формуле

∆t_ср = (∆t_б + ∆t_м)/ln(∆t_б /∆t_м )= 49.517+23.766/ ln (49.517/23.766)= 36.642°С

Поверхность нагрева подогревателя

F = 1523.9 *1000/1004.4224 *36.642= 41.406 м²

Остальные нагреватели рассчитываем аналогично.

По вычисленному значению поверхности теплообмена подбираю возможные варианты одноходовых ГОСТовских кожухотрубчатых теплообменников (ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и 15122-79).

Таблица 14

	Поверхность теплообмена, м2	Длина труб, м	Диаметр кожуха, мм	Диаметр труб, мм	Число труб	Площадь сечения, *102 м2
1	40	2,0	600	25*2	257	8.9
2	35	4,0	400	25*2	111	3,8
3	34	3,0	400	20*2	181	3,6

Сопоставление выбранных вариантов провожу по гидродинамическому режиму движения раствора по трубам теплообменника. С этой целью из уравнения массового расхода определяю скорость движения раствора по трубам выбранных теплообменников:

ω_т = G_p/ S*∙ρ_р

где

ρ_р – плотность проходящего через теплообменник раствора, при средней его температуре,кг/ м³

S – Площадь поперечного сечения труб в теплообменнике, м²

Рассчитываем плотность в теплообменнике:

ρ_р=А(1+0,0052∙х),где

А=1002.8-0.15545*t_ср-0.0028842*t_ср²

А=1002.8-0.15545∙36.642-0.0028842*(36.642) ²=993.232

ρ_р =993.232*(1+0.0052*27.9) = 1137.33 кг/ м³

ω_т1 = 15.83/0.0089*1137.33 = 1.556 м/с

ω_т2= 15.83/0.0038*1137.33 = 3.66 м/с

Гидродинамический режим в них оценивают по критерию Рейнольдса:

ω_т*d*ρ_р ω_т*d

Re = ------------ = ---------

μ_p ν

где d – внутренний диаметр труб в теплообменнике, м;

ν – вязкость проходящего через теплообменник раствора, м²/с

Кинематическую вязкость в подогревателе на линии подачи раствора вычисляем по формуле :

ν = b₀*10^-6ехр(b*10⁸*Т_ср ^-3 ), м²/с

b₀= 0.08639+0.47022(х/100)+0.38097(х/100)²–1.5244(х/100)³+3.5265(х/100)⁴

b =0.61724–0.36583(х/100)+ 6.29912(х/100) ² -24.4779*(х/100)³+43.0965(х/100)⁴

х – концентрация в массовых процентах,

Т – температура, К

b₀ = 0.08639 + 0.47022(27.9/100) + 0.38097(27.9/100)² – 1.5244(27.9/100)³ +

+ 3.5265(27.9/100)⁴ = 0,2354

b = 0.61724 – 0.36583(27.9/100) + 0.38097(27.9/100)² – 1.5264(27.9/100)³ +

+ 3.5265(27.9/100)⁴ = 0.533

ν = 0,2354*10^-6ехр(0.533*10⁸*309,642^-3 ) = 2.545*10^-6 м²/с

Re₁ = 1.556 *0,025/2,545*10^-6 = 15284.8723

Re₂= 3.66 *0.025/2.545*10^-6= 35952.848

Сравнивая рассчитанные значения Re, выбираем тот теплообменник, для которого при турбулентном режиме движения раствора по трубам критерий Рейнольдса имеет наибольшее численное значение.

После окончательного выбора теплообменника рассчитываю расход греющего пара в нём:

Q

D_т = -------------

J_1r – c_k1*t_k1

где параметрам пара J_1r и конденсата (c_k1 и t_k1) соответствуют параметры греющего пара и конденсата первого корпуса выпарной установки.

Q

D_т = -------------= 1523.9 *1000/2700,477*1000-(4230*112,7979)=0,685 кг/с

J_1r – c_k1*t_k1