Воспользовавшись номограммой для определения критерия Nu2 (3, стр. 536)
Nu2= 140.
Тогда a2= Nu2lводы/d = 140*0,633/0,021 = 4220 Вт/К*м2,
Где lводы= 0,633 Вт/м*К - теплопроводность 10% NaCl при температуре кипения (4, стр. 61).
5.6.2. Расчёт коэффициента А.
А=0,94(l3r2rg/mH)1/4
При температуре Т=1270С l = 68,6*10-2 Вт/мК
r = 935 кг/м3 (3, стр. 512)
m = 212*10-6Па*с
r = 2194 кДж/кг (3, стр. 524)
Н = 4м
Тогда А = 8647,8
5.6.3. Расчёт коэффициента теплопередачи К.
К = {(К1/3Dср1/3/А4/3) + (dстlстa2}-1
Dср= 82,70C;
dст= 2мм = 0.002м – толщина стенок нагревательных труб;
lст= 16,8 Вт/м*К – теплопроводность материала стенки;
a2 = 4220 Вт/К*м2- коэффициент теплоотдачи от поверхности трубки к раствору;
А= 8647,8 ;
a2= 4220 Вт/м2 .
Воспользуемся итерационным расчётом:
К(dстlст a2) = 1- (К/А)4/3 *Dср1/3
Пусть yл = К(dстlст a2)
Yп = К(dстlст a2)
Построим оба графика в одной системе координат, пересечение этих графиков дает истинное значение К.
| К | Yл | Yп |
| 2100 | 0,748 | 0,968 |
| 2200 | 0,783 | 0,962 |
| 2300 | 0,819 | 0,954 |
| 2400 | 0,854 | 0,945 |
| 2500 | 0,890 | 0,936 |
| 2600 | 0,926 | 0,925 |
| 2700 | 0,961 | 0,913 |
| 2800 | 0,997 | 0,899 |
| 2900 | 1,032 | 0,884 |
| 3000 | 1,068 | 0,867 |
Из графиков видно, что К = 2600 Вт/(м2*К).
Реальное значение коэффициента теплопередачи в работающем теплообменнике всегда меньше рассчитанного из-за дополнительных термических сопротивлений загрязнений стенок rзагр с обеих сторон. При этом общее термическое сопротивление в реальном теплообменнике:
(1/К)реал = (1/К)расч + rзагр.1 + rзагр.2
Значение термических сопротивлений загрязнений стенок rзагр взяты из (3, стр. 506):
rзагр.1= 1,7*10-4м2*К/Вт - для водяного пара, rзагр.2=1,7*10-4м2*К/Вт - для кипящего исходного раствора.
(1/К)реал= 1/2600 + 1,7*10-4+1,7*10-4 = 7,2*10-4м2*К/Вт
Тогда Креал=1380 Вт/(м2*К).
5.7. Расчёт поверхности теплообмена.
Fор = Q/KорDср = 6,06*106/1380*56,8 = 77м2.
5.8. Подбор теплообменника по каталогу.
Подбираем по (7, стр.51) теплообменник:
· Поверхность теплообмена 79 м2;
· Длина труб 4м;
· Диаметр труб d = 20*2;
· Число ходов z = 6;
· Общее число труб 316.
6. Блок создания и поддержания вакуума.
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор при температуре окружающей среды (г. Стерлитамак t = 200C). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.
6.1. Расчёт барометрического конденсатора смешения.
6.1.1. Расход охлаждающей воды Gв.
Gв определяют из теплового баланса конденсатора:
Gв=W3(hбк-cвtк)/cв(tk-tн),
где hбк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе; tн = 200С - начальная температура охлаждающей воды;
Cв =4,19 кДж/кг;
tк – конечная температура смеси воды и конденсата ;
Рбк = 7000 Па = 0,0714 ат, то по (2, стр. 23) tбк = 38,7 0С и hбк = 2572,2 кДж/кг.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 – 5 0С. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров: tк = tбк-4= 38,7-4=34,70С.
Тогда Gв= 3716,5(2572,2-4,19*34,7)/4,19(38,7-20) = =115110кг/ч = 31,98 кг/с.
6.1.2. Диаметр конденсатора.
Определяют по уравнению расхода:
dбк = (4W3/(rpv))1/2
r= 0,04782 кг/м3 – плотность паров (2, стр. 23).
При остаточном давлении к конденсаторе порядка 104 Па скорость паров v=15 – 25 м/с.
Тогда dбк = (4*3716,4/3600(0,04782*3,14*20))1/2 = 1,17м.
По (4, стр. 41) подбираем конденсатор:
¨ dбк = 1200мм;
¨ Высота цилиндрической части 4,90м
¨ Диаметры штуцеров условные:
- Для входа вторичного пара 450мм;
- Для входа охлаждающей воды 250мм;
- Для барометрической трубы 250мм;
- Для выхода парогазовой смеси 200мм.
6.1.3. Высота барометрической трубы.
Диаметр барометрической трубы dбт = 250мм.
Скорость воды в барометрической трубе:
v = 4(Gв + W3)/(rpdбт2) = 4(31,98+1,03)/(1000*3,14*0,252)= =0,67м/с.
Высота барометрической трубы:
Нбт=В/rвg + (1+Sx+l Нбт/ dбт)v2/2g + 0,5 ,
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе;
Sx - сумма коэффициентов местных сопротивлений;
l - коэффициент трения в барометрической трубе;
0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления.
В = Ратм - Рбк = 98000 – 7000 = 91000 Па;
Sx = xвх+xвых =0,5 +1,0 =1,5, где xвх, xвых – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и выходе из неё (3, стр. 494).
Коэффициент трения l зависит от режима течения жидкости. Определим режим:
Re = dбтv/nв = 0,25*0,67/0,81*10-6 = 206790 ,
где nв = 0,81*10-6 м2/с при tк = 34,70С (3, стр. 512).
При Re = 206790 коэффициент трения определяется по формуле Никурадзе:
l = 0,0032 + 0,221*Re-0,237=0,015
Т. о., Нбт=91000/1000*9,81 + (1+1,55 Нбт/ 0,25)0,672/2*9,81 + 0,5=9,833+0,00137 Нбт
Нбт=9,8 м.
6.1.4. Барометрический ящик.
Барометрический ящик, заполненный водой и сообщающийся с атмосферой, является гидравлическим затвором для барометрической трубы. Объём воды в ящике должен обеспечивать заполнение барометрической трубы при пуске установки. Следовательно, объём ящика должен быть не менее объёма барометрической трубы, а форма ящика может быть произвольной:
V3 >= pdбт2Нбт /4>=3,14*0,252*9,8/4 = 0,48 м3.
6.2. Расчёт производительности вакуум-насоса.
Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
Gвозд =2,5*10-5(Gв + W3)+0,01W3= 2,5*10-5 (31,98+1,03) +0,01*1,03 = 11,1*10-3кг/с
Объёмная производительность вакуум-насоса равна:
Vвозд = R(273+tвозд) Gвозд/(MвоздPвозд), где R = 8314 Дж/(кмоль*К)- универсальная газовая постоянная;
Mвозд = 29 кг/кмоль – молекулярная масса воздуха;
tвозд - температура воздуха:
tвозд= tн +4+0,1*( tк – tн) = 20 + 4 + 0,1* 14,7 = 25,50С;
Рвозд- парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе:
Рвозд = Рбк –Рп = 7000-3355 = 3645 Па, где давление сухого насыщенного пара Рп = 0,03426 ат = 3355 Па при температуре 25,50С (2, стр. 17).
Тогда Vвозд = 8314(273+25,5) 1,1*10-3/(29*3645)=0,026 м3/с =1,55 м3/мин
Зная объёмную производительность и остаточное давление, по каталогу (7, стр. 188) подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 с мощностью на валу N = 6,5 кВт.
7. Расчет и выбор вспомогательного оборудования выпарной установки.
7.1. Конденсатоотводчики.
Для отвода конденсата, образующегося при работе теплообменных аппаратов, в зависимости от давления пара, применяют различные виды устройств.
7.1.1. Конденсатоотводчик для отвода конденсата из теплообменника, обогревающего исходный раствор до температуры кипения.
Температура греющего пара на входе в теплообменник 1270С, следовательно, давление Р = 2,5160 ат = =0,247 МПа.
При данном давлении устойчиво работает конденсатороотводчик термодинамический муфтовый чугунный типа 45ч12нж.
- Расчётное количество конденсата после теплообменника:
Расход греющего пара Gрасч = 2774 кг/ч, тогда G = 1,2Gрасч = 3,3 т/ч.
- Давление пара перед конденсатоотводчиком:
Р1 = 0,95*Р = 1,44 ати.
- Давление пара после конденсотоотводчика:
Р2 = 0,5* Р1 = 0,72 ати.
- Условная пропускная способность:
KVy = G/(A*DP0,5), где DP = 0,72ат = 0,07МПа – перепад давления на конденсатоотводчике;
А = 0,67 – коэффициент, учитывающий температуру конденсата и перепад давлений на конденсатоотводчике (11, стр.6).
KVy = 3,3/(0,67*0,720,5) = 6 т/ч.
- Подбор конденсатоотводчиков типа 45ч12нж по (11, стр. 7):
Установим 3 одинаковых конденсатоотводчика с условной пропускной способностью KVy = 2; диаметр условного прохода равен 40мм; размеры L=170мм, L1= 22мм, Hmax=89мм, H1= 42,5мм, Do=111,5мм.
7.1.2. Конденсатоотводчик для отвода конденсата из первого корпуса выпарной установки.
Температура греющего пара на входе в аппарат 1500С, следовательно, давление Р = 4,85 ат =0,476 МПа.
При данном давлении устойчиво работает конденсатороотводчик термодинамический муфтовый чугунный типа 45ч12нж.
- Расчётное количество конденсата после теплообменника:
Расход греющего пара Gрасч = 6596 кг/ч, тогда G = 1,2Gрасч = 7,9 т/ч.
- Давление пара перед конденсатоотводчиком:
Р1 = 0,95*Р = 3,61 ати.
- Давление пара после конденсотоотводчика:
Р2 = 0,5* Р1 = 1,81 ати.
- Условная пропускная способность:
-
KVy = G/(A*DP0,5), где DP = 1,8 ат = 0,18 МПа – перепад давления на конденсатоотводчике;
А = 0,55 – коэффициент, учитывающий температуру конденсата и перепад давлений на конденсатоотводчике (11, стр.6).
KVy = 4,61/(0,55*0,180,5) = 6,2 т/ч.
- Подбор конденсатоотводчика типа 45ч12нж по (11, стр. 7):
Установим 2 одинаковых конденсатоотводчика с условной пропускной способностью KVy = 2 и один с условной пропускной способностью KVy = 2,5.
При KVy = 2 диаметр условного прохода равен 40мм; размеры L=170мм, L1= 22мм, Hmax=89мм, H1= 42,5мм, Do=111,5мм.