Проектирование выпарной установки для концентрированного водного раствора хлорида аммония, производительностью 22 кг/с по концентрирован

Принимаем тепловую проводимость загрязнений (/1/, табл. XXXI, стр. 531) стенки со стороны греющего пара и со стороны кипящего раствора . Коэффициент теплопроводности стали по (/1/, табл. XXVIII, стр. 529) принимаем равным:

 

,

 

по (/3/, табл. 2.2, стр. 16) толщину  труб принимаем равной 2 мм. Тогда

.

Ввиду того, что  и , для расчета коэффициента теплопередачи принимаем метод последовательных приближений.

Для определения исходного  значения , учитывая: что при установившемся режиме теплопередачи , выражаем через :

.

Затем рассчитываем исходные значения и , принимая :

;

.

Находим значение

 

.

 

Составляем расчетную  таблицу 3.3, в которую записываем исходные данные , , , и результаты последующих расчетов.

 

 

Таблица 3.3 Температурный режим работы выпарной установки

Прибли-жения и провероч-ный  расчет	Конденсация греющего пара
I	142,9	139,9		3,0		7529		24770
II	142,9	137,31		5,59		6594		36863
III	142,9	136,06		6,85		6267		42934
IV	142,9	135.17		7.73		6081		47008
Прибли-жения и провероч-ный  расчет	Стенка и ее загрязнения	Кипение раствора
I	1785	13,88	125,73		109,9	28,65	2532		72548
II	1785	20,65	116,66		109,9	19,58	3301		64628
III	1785	24,05	112,01		109,9	14,93	3654		54552
IV	1785	26.33	108.84		109,9	11.76	3881		45646

 

1. Первое приближение:

 

;

;

;

;

;

;

; .

 

В первом приближении: .

II. Второе приближение.

Рассчитываем по первому  приближению  :

 

 

,

тогда

.

Величину  определяем, принимая при

 

:

 

.

Затем выполняем аналогичный  расчет (см. строку II в табл. 3.3).

Расхождение и по второму расчету:

.

III. Третье приближение.

Рассчитываем по второму  приближению  :

,

тогда

.

Величину  определяем, принимая при :

.

Затем выполняем аналогичный  расчет (см. строку III в табл. 3.3).

Расхождение и по третьему расчету: .

По результатам расчетов второго и третьего приближения  строим график . Полагая, что при малых изменениях температуры поверхностные плотности и линейно зависят от , графически определяем Графическая зависимость

IV. Проверочный расчет (см. табл. 3.3).

Расчеты аналогичны расчетам первого приближения.

Расхождение и :

По данным последнего приближения определяем коэффициент  теплопередачи:

.

Площадь поверхности  теплопередачи:

.

По (Таблице 2.2 стр. 16) принимаем аппарат Тип 1, Исполнение 2, группа А (С выносной греющей камерой и кипением в трубах), с площадью поверхности теплопередачи 132 (действительная), Трубы 38 х 2 мм, длинной Н = 4000 мм , т.е. с запасом .

 

3.5 Полный тепловой расчет подогревателя начального раствора

 

3.5.1 Ориентировочный расчет  теплообменного аппарата для  подогрева раствора 

перед подачей в выпарной аппарат

Таблица 3.4 - Основные данные для расчета подогревателя

Раствор хлорида аммония			Греющий пар
, % масс.
12	23	92,0	142,9	4,03

 

Значение усредненной  по всей теплообменной поверхности  разности температур рассчитывается по формуле:

 

;                                          (3.22)

 

при этом

;

.

Получаем

.

Средняя температура  раствора :

,

где - среднее арифметическое значение температуры теплоносителя, которое изменяется на меньшую величину (в данном случае температура конденсации греющего пара);

.

Расход раствора :

.

Расход теплоты на нагрев раствора:

 

,                                     (3.23)

 

где - удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле 2.11, при и % масс.

По формуле 3.12 удельная теплоемкость воды при  равна:

.

Тогда по формуле 3.11 получаем:

Расход теплоты на нагрев раствора по формуле 3.23 равен:

.

Расход греющего пара:

Принимая по (/1/, табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент  теплопередачи  , (аппарат со свободной циркуляцией, передача тепла от конденсирующегося пара к воде), рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи:

.

Проходное сечение  трубного пространства рассчитываем по формуле:

 

,                                             (3.24)

 

где - внутренний диаметр труб; - динамический коэффициент вязкости начального раствора при средней температуре ; Re – критерий Рейнольдса.

По формуле 3.21 при  для воды получаем:

,

а по формуле 3.20 для раствора находим:

,

Для обеспечения интенсивного теплообмена подбираем аппарат  с  турбулентным режимом течения  теплоносителей. Раствор направляется в трубное пространство, греющий пар – в межтрубное.

Максимальное проходное  сечение  считаем при критерии Рейнольдса :

,

минимальное – при  :

.

По полученному оценочному значению поверхности теплопередачи  с учетом и , в качестве подогревателя, мы выбираем по (/3/ табл. 1.2 стр. 6) 2-у ходовый теплообменник, с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением и числом рядов труб , расположенных в шахматном порядке.

 

 

3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата

 

3.5.2.1 Теплоотдача в  трубах

Находим, что теплоотдача для раствора описывается уравнением:

 

,                        (3.25)

 

где - критерий Нуссельта; - поправочный коэффициент; Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля; - критерий Прандтля при температуре стенки трубы.

Коэффициент примем равным 1, полагая, что (/1/, табл. 4.3, стр. 153), где - длина труб, - эквивалентный диаметр. Критерий Рейнольдса рассчитываем по формуле:

 

,                                                (3.26)

 

где - средняя скорость потока, и - соответственно плотность раствора и динамический коэффициент вязкости, при средней температуре .

По формуле  3.7 плотность  раствора при  и % масс. равняется:

,

.

Среднюю скорость потока определяем по формуле:

 

 

 

Учитывая, что для труб круглого сечения диаметр труб и  эквивалентный диаметр совпадают, то для труб получаем:

.

Критерий Прандтля находим  по формуле:

 

,                                                 (3.27)

 

где - удельная теплоемкость, ; - коэффициент теплопроводности, ; - динамический коэффициент вязкости, .

Коэффициент теплопроводности при  и % масс. по формуле 3.15 равняется:

,

.

Таким образом, критерий Pr при и равняется:

Коэффициент теплоотдачи  от раствора к стенке:

.

С учетом формулы 3.25 получаем:

 

,                    (3.28)

 

.

 

3.5.2.2 Теплоотдача при  пленочной конденсации водяного  пара

Для водяного пара в случае конденсации на пучке горизонтальных труб осредненный по всему пучку  коэффициент теплопередачи можно рассчитать по формуле:

 

,                                             (3.29)

 

где - поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали; - наружный диаметр труб; =7430 (взято из /1/, табл.4.6, стр. 162 при температуре конденсации греющего пара); - разность средней температуры конденсации греющего пара и температуры стенки со стороны греющего пара :

.

 

Поправочный множитель  находим по (/1/, рис. 4.7, стр. 162) для шахматного расположения труби при числе рядов труб по вертикали :

.

Имеем:

.

 

3.5.2.3 Расчет коэффициента  теплопередачи

1. Первое приближение.

Принимаем в первом приближении  . Тогда температура стенки со стороны греющего пара равняется:

.

Тогда по формуле (3.29) получаем:

.

При этом удельный тепловой поток от пара к стенке равен:

 

.

 

Сумма термических сопротивлений  равна:

 

,

 

где - соответственно термические сопротивления загрязнений со стороны греющего пара, стенки и со стороны раствора.

По (/1/, табл. XXXI, стр. 531) находим:

,

.

Для стенки:

,

где - толщина стенки, - коэффициент теплопроводности стали (/1/, табл. XXVIII, стр. 529).

,

.

Поскольку удельный тепловой поток от пара к стенке равен удельному тепловому потоку через стенку , то можно получить:

 

 

,

 

при этом - температура стенки со стороны раствора равна:

 

,

 

.

При температуре  удельная теплоемкость, динамический коэффициент вязкости и коэффициент теплопроводности, вычисленные, соответственно, по формулам 3.11, 3.15, 3.20 равны:

,

,

;

,

.

Подставляя найденные  значения в формулу 3.27, получаем значение критерия Прандтля при температуре  стенки:

.

По формуле 3.28 находим  в коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

.

Тогда удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:

 

,

 

где - вычисленная ранее средняя температура раствора.

.

Расхождение между  и в первом приближении составляет

.

Составляем таблицу 3.4, в которую заносим результаты первого и второго приближений , а также проверочный расчет.