РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫУСТАНОВКИ
1.1 Принцип работы трех корпусной выпарной установки
2 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА
3 Расчёт и выбор вспомогательного оборудования
3.1 Расчёт изоляции
3.2 Расчёт барометрического конденсатора
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Выпарные аппараты предназначены для концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.

Процесс выпаривания - энергоемкий процесс, особенно если теплота испарения. Как например у воды. Поэтому составляющая на энергозатраты при выпаривании может быть весьма существенной составляющей в себестоимости производства того или иного продукта. Одним из наиболее эффективных способов снижения энергопотребления является применение выпарных батарей- многокорпусных выпарных установок.

Веществом, подлежащим концентрированию в водном растворе, является NaOH.

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Зачетная книжка № 111501

 

1. Производительность – G_н=1 т/ч = 0.27 кг/с

2. Вид раствора - NaOH

3. Начальная концентрация раствора - х_н=1%

4. Конечная концентрация раствора - х_к=10%

5. Давление греющего пара – р_г1=1.501 МПа

6. Давление в барометрическом конденсате – р_бк=0.501 МПа

7. Число корпусов – 3 корпуса

8. Взаимное направление пара и раствора – противоток

9. Температура поступательного раствора в выпарном аппарате равен с температурой кипения расствора

10. Вид циркуляции – принудительная

11. Тип аппарата – 2 тип

12. Исполнение аппарата – 1 исполнение

 

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫУСТАНОВКИ

 

 

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температуря кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней к многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

Ниже приведен типовой расчет трехкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой) и кипением раствора в трубах.

 

 

Принцип работы трехкорпусной выпарной установки

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник, где прогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем – в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступающего из второго корпуса.

Самопроизвольный 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, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом. Смесь охлаждающейся воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.

 

 

РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяется по основному уравнению теплопередачи:

F = Q/(KΔt_п) (2.1)

где Q – тепловая нагрузка, кВт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙K);

Δt_п – полезная разность температур_, град.

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δt_п необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находятся методом последовательных приближений.

Производительность установки по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:

W = G_н(1 – x_н/x_к) (2.2)

где G_н – производительность установки по исходному раствору, кг/с;

x_н, x_к – массовые концентрации вещества в исходном и упаренном растворе соответственно, %.

W = 0.27∙(1-1/10)=0.245 кг/с

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соотношении:

w₁: w₂:w₃ = 1,0: 1,1: 1,2

Тогда,

w₁ = 1,0W/(1,0 + 1,1+1,2) = 0,245/3,3 = 0,074кг/с;

w₂ = 1,1W/(1,0 + 1,1+1,2) = 1,1∙0,245/3,3 = 0,081кг/с;

w₃ = 1,2W/(1,0+1,1+1,2) = 1,2∙0,245/3,3 = 0,089кг/c;

Далее рассчитываются концентрации растворов в корпусах:

x₁ = G_нx_н/(G_н - w₁) = 0,27∙1/(0,27-0,074) =1,37%;

x₂ = G_нx_н/(G_н - w₁ - w₂) =0.27∙1/(0,27-0,074-0,081) = 2,34%.

Х₃=G_нx_н/(G_н - w₁ - w₂-w₃)= 0.27∙1/(0.27-0.074-0.081-0.089) =10 %

Концентрация раствора в последнем корпусе x₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_к.

Общий перепад давлений в установке равен:

ΔP_об = P_г1 – P_бк (2.3)

где P_г1 – давление греющего пара, МПа;

P_бк – абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

ΔP_об =1,501-0.150=1,135 МПа.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

P_г1 = 1,501 МПа;

P_г2 = P_г1 - ΔP_об/3 = 1,150 – 1,135/3 = 0,771 МПа.

P_г3 = P_г2 - ΔP_об/3 = 0,771-1,135/3 = 0,393 МПа

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

P_бк = P_г3 - ΔP_об/3 = 0,393 – 1,135/3 = 0,0149 МПа,

что соответствует заданному значению P_бк.

Таблица 1 Значения давления, температуры и энтальпии

P, МПа	t, 0C	I, кДж/кг	i, кДж/кг
1,150	184,9	2788,4	785,8
0,771	167,9	2773,7	706,3
0,393	142,23	2743,1	599,23
0,0149	53,34	2595,6	223,5

 

 

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости.

Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь ΣΔ от температурной (Δ^/), гидростатической (Δ^//) и гидродинамической (Δ^///) депрессий (ΣΔ = Δ^/ + Δ^// + Δ^///).

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Δ^/// = 1,0 – 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ^/// = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ⁰C) равны:

t_вп1 = t_г2 + Δ₁^/// = 168,3+1=169,3;

t_вп2 = t_r3 + Δ₂^/// =142,63+1=143,63.

t_вп3 = t_бк + Δ₃^/// =53,74+1=54,74.

 

Сумма гидродинамических депрессий

ΣΔ^/// = Δ₁^/// + Δ₂^/// = 1,4+ 1,4+1,4 = 4,2 ⁰С.

По температурам вторичных паров определим их давление. Они равны соответственно (в МПа):

P_вп1 =0,795; P_вп2 = 0,408; P_вп3=0,0156;

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:

Р_ср = P_вп + ρgH (1- ε)/2, (2.4)

где Н- высота кипятильных труб в аппарате, м;

ρ – плотность кипящего раствора, кг/м³;

ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

 

Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительнойциркуляцией q = 40000 – 80000 Вт/м². Примем q = 50000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:

F_ор = Q/q = ω1∙r1/q, (2.5)

где r₁ – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

F_ор = Q/q = ω3∙r1/q = 4,03∙2058∙10³ / 50000 = 152,34 м².

По ГОСТ 11987 – 81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и cоосной греющей камерой состоят из кипятильных труб, высотой 3 и 4 м при диаметре d_н = 38 мм и толщине стенки δ_ст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 3 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение ε = 0,4 – 0,6.Примем ε = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе К₂СО₃, при температуре 20 ⁰С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

ρ₁ = 1017,62 кг/м³, ρ₂ = 18028,04 кг/м³, ρ₃=1433,2 кг/м³.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 ⁰С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

 

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

 

Р_{1 ср} = 79,5∙10⁴ + 1004,56∙9,8∙4∙(1 – 0,5)/2 = 8046∙10⁴;

Р_{2 ср} =40,86∙10⁴ + 1010,42 9,8∙4∙(1 – 0,5)/2 = 41,8∙104.

Р_{3 ср} =1,56∙10⁴ + 1540 ∙9,8∙4∙(1 – 0,5)/2 = 3,06∙10⁴.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Таблица 2 Значение давления, температуры и теплоты испарения

P, МПа	t, 0C	r, кДж/кг
0,904	169,7	2056,7
0,418	144,4	2127,6
0,0306	69,06	2335,3

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ⁰C):

Δ₁^// = t_1ср - t_вп1 =169,7 – 169,3 = 0,4 ⁰С;

Δ₂^// = t_2ср - t_вп2 = 144,4 – 143,6 = 0,8 ⁰С

Δ₃^// = t_3ср - t_вп3 = 69,06 – 54,74 = 14,3 ⁰С

Сумма гидростатических депрессий

ΣΔ^// = Δ₁^// + Δ₂^// + Δ₃^// = 0,4 + 0,8+14,3=15,5 ⁰С

Температурную депрессию Δ^/ определим по уравнению

Δ^/ = 1,62∙10^-2∙ Δ_атм^/ ∙Т²/ r _вп (2.6)

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

Δ_атм^/ - температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение Δ^/ по корпусам (в ⁰C):

Δ^/₁= 1,62∙10^-2 ∙ (169,7+ 273)²∙ 0,09 / 2056,7=0,139;

Δ^/₂= 1,62∙10^-2 ∙ (144,4 + 273)²∙ 0,19 / 2127,6= 0,252;

Δ^/₃= 1,62∙10^-2 ∙ (69,06 + 273)²∙ 14,6 / 2335,3= 11,85;

Сумма температурных депрессий

ΣΔ^/ = Δ₁^/ + Δ₂^/ + Δ₃^/ =0,139+0,252+11,85=12,24

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ⁰C)

t_к = t_г + Δ^/ + Δ^//+ Δ^/// (2.7)

 

В аппаратах с вынесенной зоной кипения с принудительной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в греющих трубках предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по сравнению с температурой кипения на верхнем уровне раздела фаз. Поэтому температуру кипения раствора в этих аппаратах определяют без учета гидростатических температурных потерь Δ^//.

t_к1 = t_г2 + Δ^/₁ + Δ^//₁+Δ^///₁ = 167,9+0,139+0,4+1,4=169,839

t_к2 = t_г3 + Δ^/₂ + Δ^//₂+Δ^///₂ = 142,23+0,252+0,8+1,4=144,682

t_к3 = t_бк + Δ^/₃ + Δ^//₃+Δ^///₃ =53,34+11,85+14,3+1,4=80,89

Перегрев раствора Dt_пер может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для j-го корпуса записывается в следующем виде:

П_но ∙с_но ∙ (е_ко-1 - е_ко) + M∙ с_но∙Dе_перо = ω_о∙ (Ш_{вп о} - с_в∙ е_ко) (2.8)

где М – производительность циркуляционного насоса (в кг/с),тип которого определяют по каталогу для выпарного аппарата с поверхностью теплопередачи F_ор.

Для первого корпуса t_кj-1 – это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника-подогревателя.

В аппаратах с принудительной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора u = 2,0 – 2,5 м/с. Примем u = 2,0 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

M = u∙S∙ρ, (2.9)

М=2,0∙1014,62∙0,21=450.072

где S- сечение потока в аппарате (м²), рассчитываемая по формуле:

S = F_ор ∙d_вн/4∙H, (2.10)

S= (69.36∙0.038)/(6*3)=0.21 м²

где d_вн – внутренний диаметр труб, м;

Н – принятая высота труб, м.

Таким образом, перегрев раствора в j-м аппарате Dt_перj равен:

 

Dt_перj = [ω_о∙ (I_{вп j} - с_в*t_кj) - G_нj ∙с_нj ∙ (t_кj-1 - t_кj)] / M ∙с_нj (2.11)

Полезную разность температур (в ⁰С) в каждом корпусе можно рассчитать по уравнению:

Dt_п1 = t_г1 – t_к1 = 184,9+169,8=15,1;

Dt_п2 = t_г2 – t_к2 = 167,9-144,6=23,3;

Dt_п3 = t_г3 – t_к3 = 142,2-80,8=61,4;

Полезная разность температур:

ΣΔt_п = t_г1 - t_бк - ΣΔ^/ - ΣΔ^/// + ΣΔ^// (2.12)

ΣΔt_п = 15,1+23,3+61,4=99,8⁰С.

Проверим общую полезную разность температур:

ΣΔt_п = Dt_п1 + Dt_п2+Dt_п3 =184,9-53,34-(4,2+12,24+15,5)=99,6⁰С.

 

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q₁ = D∙(I_r1 – i₁) = 1,03∙ [G_н ∙c_н ∙ (t_k1 – t_H) + w₁∙(I_вп1 – c_в∙t_k1) + Q_1конц]; (2.13)

Q₂ = w₁∙(I_r2 – i₂) = 1,03∙[(G_н - w₁) ∙c₁∙ (t_к2 – t_к1) + w₂∙ (I_вп2 – c_в∙t_к2) + Q_2конц]; (2/14)

Q₃ = w₂∙(I_r3 – i₃) = 1,03∙[(G_н - w₁-w₂)∙c₂∙(t_к3 – t_к2) + w₃∙(I_вп3 – c_в∙t_к3) + Q_2конц];

W = w₁ + w₂ + w₃ (2.15)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

с_н,с₁,с₂ – теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/ (кг∙К);

 

с_н= 3,99

с₁= 3,91

с₂=3,73

где Q_1конц, Q_2конц, Q_3конц – теплоты концентрирования по корпусам, кВт;

t_н – температура кипения исходного раствора при давлении в 1–м корпусе;

t_н = t_вп1 + Δ^/_н, (2.16)

где Δ^/_н – температурная депрессия для исходного раствора.

t_н = 167,58+ 1 = 168,58⁰С.

При решении уравнений (2.13) – (2.15) можно принять:

I_вп1 » I_г2; I_вп2 » I_r3; I_вп3 » I_бк

Получим систему уравнений:

Q₁ = D∙(2788,4-785,8) = 1,03∙[13,750∙3,99∙(169,839-170,3) + ω₁∙(2773,7-4,19∙169,839)];

Q₂ = ω₁∙(2773,7-706,3) = 1,03∙[(13,750-ω₁)∙3,91∙(144,682-169,839)+ω₂∙(2743,1-4,19∙144,682)];

Q₃ = ω₂∙(2743,1-599,23) = 1,03∙[(13,750-ω₁- ω₂)∙3,73∙(80,89-144,682)+ω₃∙(2595,6-4,19∙80,89)];

W = w₁ + w₂ + w₃=11,1

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 4,67 кг/с; Q₁ = 3592кВт; Q₂ = 4961 кВт; Q₃ = 10821 кВт

ω₁ = 4,42 кг/с; ω₂ = 4,59 кг/с; ω₃ = 4,8 кг/с

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (ω₁=4,42 кг/с, ω₂=4,59 кг/с, ω₃=4,8 кг/с) не превышает 5%, необходимо заново пересчитать концентрации, температурные депрессии и температуры кипения растворов, положив в основу расчета новое, полученное из решения балансовых уравнений, распределение нагрузок по испаряемой воде.

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

К₁ = 1 / (1/α₁ + Σδ/λ + 1/α₂) (2.17)

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

Σδ/λ = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 2,87∙10^-4 м²∙К/Вт.

 

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке α₁ равен:

α₁ = 2,04∙⁴√ (2.18)

где r₁ – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

ρ_{ж 1,}λ_{ж 1},μ_{ж 1} – соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/м_*К), вязкость (Па_*с) конденсата при средней температуре пленки

t_пл = t_{г 1} - Dt₁/2,

где Dt₁ – разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет α₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем

t_пл = 184,59 – 1 = 183,59 град.

Тогда

α₁ = 2,04∙⁴√(2056,7∙10³∙885²∙0,518³)/(0,1∙10^-3∙4∙3,5) = 7212,1Вт/ м²∙К.

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q = α1∙Δt1 = Δt_ст / (Σδ/λ) = α₂∙Δt₂ (2.19)

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

Δt_ст – перепад температур на стенке, град;

Δt₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Δt_ст = α₁∙Δt₁∙Σδ/λ = 7212∙3,5∙2,85∙10^-4 = 7,24град.

Тогда

Δt₂ = Δt_{п 1} - Δt_ст - Δt = 15,06-7,24-3,5=4,32 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных трубок при условии естественной циркуляции раствора равен:

α₂ =Аq^0.6 =780 q^0.6 (λ¹₁^.3∙ρ₁^0.5∙ρ_п1^0.06/σ₁^0,5∙r_в1^0,6∙ρ₁^0,66∙c₁^0,3∙μ₁^0,3) (2.20)

Подставив численные значения, получим:

α₂ =780q^0.6 (0,518 ^1.3∙1004,42^0.5∙3,72^0.06)/0,073^0.5∙ (2056,7∙10³)^0.6 ∙0,579^0.66∙3910^0.3∙ (0,1∙10^-3) ^0.3 =5710

 

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q^/ = α₁∙Δt₁ 7212,1∙3,5=25242 Вт/м²;

q^// = α₂∙Δt₂ =5710∙4,32=24647 Вт/м².

Как видим, q^/ ≈ q^//

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов α₁ и α₂ на этом заканчивается.

Находим К₁:

К₁ = 1/(1/7212,1+ 2,87_*10^-4 + 1/5710) = 1664,48 Вт/ м²∙К.

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂.

К₂₌1 / (1/α₁ + Σδ/λ + 1/α₂) (2.21)

Σδ/λ = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 2,87∙10^-4 м²∙К/Вт.

Расчет α₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt₁=5,8 град.

α₁ = 2,04∙⁴√(2056,7∙10³∙900²∙0,521³)/(0,19∙10^-3∙4∙6,6) = 5340,5 Вт/ м²∙К.

Δt_ст = 5340,5 ∙6,6∙2,87∙10^-4 = 10,12 град;

Δt₂ =20,24-6,6-10,12= 6,53 град;

α₂ =780q^0.6 (0,521 ^1.3∙1028,04 ^0.5∙2^0.06 )/0,0737^0.5∙ (2127,6∙10³)^0.6 ∙0,579^0.66∙3710^0.3∙ (0,19∙10^-3) ^0.3 =5541,13

q^/ = α₁∙Δt₁ = 5340∙6,6 = 35247 Вт/м²;

q^// = α₂∙Δt₂ = 5541∙6,53=36194 Вт/м².

Как видим, q^/ ≈ q^//

К₂ = 1/(1/5340,5 + 2,87∙10^-4 + 1/5541,13) = 1527,38 Вт/ м²∙К.

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К₃.

К₃₌1 / (1/α₁ + Σδ/λ + 1/α₂) (2.22)

Σδ/λ = 0,005/18+ 0,00005/0,87 = 2,87∙10^-4 м²∙К/Вт

Расчет α₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt₁=29 град.

α₁ = 2,04∙⁴√(2127,6∙10³∙926²∙0,555³)/(0,63∙10^-3∙4∙27) = 2984,95Вт/ м²∙К.

Δt_ст = 2984,95∙27∙2,87∙10^-4 = 23,13град;

Δt₂ =61,32-27-23,13= 11,19 град;

α₂ =780q^0.6 (0,555 ^1.3∙1540^.5∙0,18^0.06)/0,106^0.5∙2335300^0.6 ∙0,579^0.66∙1830^0.3∙(0,63∙10^-3) ^0.3 =7193,97

q^/ = α₁∙Δt₁ = 2984,95∙27 = 80593,60 Вт/м²;

q^// = α₂∙Δt₂ = 7193,97∙11,19=80495,66 Вт/м².

Как видим, q^/ ≈ q^//

К₃ = 1/(1/2984,95+ 2,87_*10^-4 + 1/7193,97) = 1314,03 Вт/ м²_*К.

Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

Δt_пj = ΣΔt_п∙(Q_j/K_j)/ΣQ/K (2.22)

где Δt_пj,Q_j,K_j – соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

Δt_п1 =99,629∙(3592/1664,48) / (3592/1664,48+ 4961/1527,38+10821/1314,03) = 15,76 град,

Δt_п2 =99,629∙(4961/1527,38) / (3592/1664,48+ 4961/1527,38+10821/1314,03) = 23,72град,

Δt_п3 =99,629∙(10821/1314,03) / (3592/1664,48+ 4961/1527,38+10821/1314,03)= 60,15 град,

Проверим общую полезную разность температур установки:

ΣΔt_п = Δt_п1 + Δt_п2 +Δt_п3=15,76+23,72+60,16=99,62.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

F= Q/(K∙Δt_п)

F₁ = 3592∙10³/ (1664,48∙15,76) = 136,92м²,

F₂ = 4961∙10³ / (1527,38∙23,72) = 136,92м²,

F₃ = 10821∙10³ / (1314,03∙60,15) = 136,92м²,

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Δt_п представлено ниже:

 

 

Таблица 3 Сравнение распределенных теплопередач

	Корпус
Распределенные в 1-м приближении значения Δtп, град	15.1	23.3	61.4
Предварительно рассчитанные значения Δtп, град	15.26	23.72	60.14

 

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно не различаются. Поэтому необходимости заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки нет.

По ГОСТ 11987-81 выбирем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена - F_н= 160 м²

Диаметр труб d=38∙2 мм

Высота труб H= 6000 мм

Диаметр греющей камеры d_к =1000 мм

Диаметр сепаратора d_с =2800 мм

Диаметр циркуляционной трубы d_ц =600мм

Общая высота аппарата Н_в=21000мм

Масса аппарата M_а= 15 500кг