Выпарные аппараты

 

Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный  материал, стойкий в среде кипящего раствора КОН в интервале изменения  концентраций от 16 до 50 % [7]. В этих условиях химически стойкой является сталь  марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст= 25,1 .

 

2.1.5 Расчет  коэффициентов теплопередачи

 

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

 

^.                                                                                  (2.48)

 

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

 

( ).                                    (2.49)

 

Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующегося пара к стенке α₁ находится по уравнению:

 

                                      (2.50)

где

r₁ —теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

ρ_ж1, λ_ж1, μ_ж1 —соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/(м·К)), вязкость (Па с) конденсата при средней температуре пленки t_пл=t_г1-Δt₁/2;

Δt₁— разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет α₁, ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем разность температур конденсации пара и стенки Δ ₁ =2,0 ^оС. Тогда:

 

                   ^(2.51)

 

Из уравнения  находится  перепад температур на стенке:

 

Δt_ст= α₁ Δ ∑δ/λ=6014,3∙2∙2,87∙10^-4=3,4 °С.                                                          (2.52)

 

И разность температур конденсации  пара и стенки со стороны раствора и его температурой кипения Δ :

 

Δ ₂= Δt₁- Δt_ст - Δ ₁=10,44-3,4-2=5,04 ^оС.                                                           (2.53)

 

Физические свойства кипящих растворов КОН в каждом из корпусе и их пары из табл. 4 приведены (табл. П1, П2, П27-П30 [11]). Исходя из этих данных, мы определим теплоотдачу от стенки к кипящему раствору при помощи приближенного вычисления. Маневрируем свойства конденсата при помощи изменения температуры.

 

 

Таблица 4. Параметры каждого корпуса выпарного аппарата

Параметр	Корпус
	1	2	3
Теплопроводность раствора λ, Вт/ (м·К)	0,5959	0,571	0,4636
Плотность раствора ρ, кг/м3	966,47	1014,02	1170,58
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг·К )	3502,9	3425,61	2635,92
Вязкость раствора μ, Па·с	0,2·10-3	0,33·10-3	0,67·10-3
Поверхностное натяжение  σ, Н/м	0,061	0,063	0,067
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2089,06·103	2123,9·103	2289,35·103
Плотность пара ρн, кг/м3	2,759	2,47	0,396

 

Коэффициент теплоотдачи  от стенки к кипящему раствору α₂, для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора  находиться по уравнению:

 

 

 Вт/(м²·К)                             (2.54)

 

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

= α₁ Δ ₁=6014,3 = 12028,6 Вт/м²;                                                                (2.55)

 

= α₂ Δ ₂=2643,5 = 13323,6 Вт/м².                                                         (2.56)

 

Как видим, .

Для второго приближения  примем Δ ₁ = 4,0 ^оС.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при  изменении температуры на 2,0 ^оС, рассчитаем α₁ по соотношению (уравнения (2.54), (2.55), (2.56)):

 Вт/(м²·К).

 

Получим перепад температур на стенке равным:

 

 ^°С;

Δt₂=10,44-3-5,8=1,64 ºС;

 

 ^{Вт/(м²·К);}

 

=5057,4 = 20229,6 Вт/м²;          

 

=7191,7 = 11794,3 Вт/м².

 

Очевидно, что и во втором приближении остается неравенство удельных

тепловых нагрузок q^, ≠ q^,,.Это приводит к следующему приближенному расчету.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7 Зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур Δ

 

Рис. 8 Распределение температур в процессе теплоотдачи от пара к  кипящему раствору через многослойную стенку: 1- пар; 2- конденсатор; 3- стенка; 4- накипь; 5- кипящий раствор

 

В третьем приближении по графической зависимости удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем Δ ₁=2,6 ^оС. Получим ( уравнения ((2.54), (2.55), (2.56)):

 

^;

 

Δt₂=10,44-2,6-4,2=3,64;

 

^;

 

=5632,4∙2,6=14644,24 Вт/м²;         

 

 =4033,1∙3,64=15040,6 Вт/м².

 

Как видим, .

Если расхождение между  тепловыми нагрузками не превышает 3 %, расчет коэффициентов α₁ и α₂ на этом заканчивают. Находим К₁, Вт/(м²·К).по уравнению (2.50):

 

К₁= 1/(1/5632,4+2,87 +1/4132,1)=1415,3 .

 

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂ ,. Для этого найдем (уравнение (2.54), (2.55), (2.56)):

 

  ^;

 

 ^°С;

 

Δt₂=16,1-4,1-10,37=1,63 ^оС;

 

 

^;

 

= 8815 = 36141,5 Вт/м²;           

 

= 22480∙1,63= 36642,4 Вт/м².

 

Как видим, . Определим К₂:

 

.                    ^(2.57)

 

Рассчитаем теперь коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К₃, найдем (уравнение (2.53), (2.54), (2.56)):

 

;

 

 ^°С;

 

Δt₂ = 54,025-16,0-23,4=14,6 ^оС;

 

 

;

 

=5102∙16= 81632 Вт/м²;          

 

= 5620∙14,6= 82056 Вт/м².

 

Как видим, Найдем К₃:

 

  .                                  (2.58)

 

 

 

2.1.6 Распределение  полезной разности температур

 

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

                                                                                                           (2.59)

Подставив численные значения, получим:

                                                     ^(2.60)

 

 °C;

 

                                                                      (2.61)

 

                                                                (2.62)

 

Проверим общую полезную разность температур установки:

 

∑Δt_п= Δt₁+ Δt₂+ Δt₃=41,15+16,06+13,37=70,58 ^оС.

 

Теперь рассчитываем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (2.1):

^;

М^2;

 

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_i, представлено ниже в таблице 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5. Параметры приближенных и рассчитанных значений корпусов выпарной установки

	Корпус
	1	2	3
Распределенные в 1-м  приближении значения Δtп, оС.	41,15	16,06	13,37
Предварительно рассчитанные значения Δtп, оС.	10,44	16,1	54,025

 

 

Таблица 6. Параметры растворов и паров по корпусам

Параметры	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде W ,кг/с	0,486	0,535	0,583
Концентрация растворов Х, %	20,15	28,19	50
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, оС	170,35	-	-
Полезная разность температур, Δtп , оС	41,15	16,06	13,37
Температура кипения  раствора; tк=tг –Δtп, оС	145,26	113,54	137,83
Температура вторичного пара tвп=tк-( ), оС	141,19	107,85	119,84
Давление вторичного пара Рвп, МПа	0,5297	0,2004	0,0154
Температура греющего пара tг=tвп- , оС	-	154,81	142,05

 

 

Номинальная поверхность  теплообмена Fн Диаметр труб d Высота труб Н Диаметр греющей камеры dк Диаметр сепаратора dс Диаметр циркуляционной трубы dц Общая высота аппарата На Масса аппарата Ма

63 м2 38 2 мм 4000 мм 1200 мм 2400 мм 700 мм 13500 мм 12000 кг

 

Вывод: по рассчитанным параметрам выбрали выпарной аппарат зависящий  от поверхности теплопередачи и  подобрали конструкционный материал – сталь марки Х17.

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет  вспомогательных установок выпарного аппарата

 

 

3.1Определение  толщины тепловой изоляции

 

Толщину тепловой изоляции δ_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:

 

α_в ( t_ст2- t_в)=( λ_и/δ_и)( t_ст1- t_ст2 ).                                                                                   (3.1)

 

где

α_в = 9,3+0,058 t_ст2 — коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²∙К);

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха): для аппаратов, работающих в закрытом помещении, t_ст2 выбирают в интервале 35—45 °С, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время, — в интервале 0-10 °С;

t_ст1 — температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t_п1, t_в - температура окружающей среды (воздуха), °С;

λ_и - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м∙К).

Рассчитаем толщину  тепловой изоляции для 1-го корпуса.

 

α_в=9,3+0,058 =11,6 Вт/(м²∙К)

 

В качестве материала  для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности λ_и =0,09 Вт/(м∙К).

Тогда получим:

.                                                                          (3.2)