Расчёт и проектирование двухкорпусной выпарной установки

 

 Поскольку вычисленные  нагрузки по испаряемой воде  в каждом корпусе от предварительно принятых не отличаются, пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам не будем.

 

3.7 Выбор конструкционного материала

 

   Выбираем конструкционный  материал, стойкий в среде кипящего  раствора сахарного сиропа в интервале изменения концентраций от 5 до 60 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. скорость коррозии её не менее 0,1 мм∕год, коэффициент теплопроводности = 25,1 Вт ∕(м·К).

 

3.8 Расчет коэффициентов теплопередачи

 

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

 

.

 

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

 

= 0,002 ∕ 25,1 + 0,0005 ∕ 2 = 3,3·10^-4 м²·К ∕Вт.

 

   Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующегося пара к стенке равен:

 

.

 

   где r₁ – теплота конденсации греющего пара, Дж ∕кг; по табл. LVII [1] по Р_ГП1 = 2,3544 кг·с ∕см² r₁ = 3682,74 кДж ∕кг;

   - соответственно плотность (кг∕м³), теплопроводность Вт ∕(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_гп1 - t₁ ∕2, где t₁ – разность температур конденсации пара и стенки, град. t_пл= 125 – 2 ∕2=124 ⁰С.

   =934,8 кг ∕м³; =68, 6·10² Вт ∕м·к; =0,2234·10^-3 Па·с. [табл. XXXIX, 1].

   Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем t₁=2 град. Тогда

 

 Вт ∕(м²·к).

 

   Для установившегося  процесса передачи тепла справедливо  уравнение

 

,

 

   где q – удельная тепловая нагрузка, Вт ∕м²; - перепад температур на стенке, град; - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

   Отсюда 

 град.

   Тогда

 град.

 

   Коэффициент теплоотдачи  от стенки к кипящему раствору:

 

.

 

   Подставив численные  значения, получим:

 

 

 Физические свойства кипящего томатного сока приведены ниже:

 

Параметр	Корпус		Литература
	1	2
Теплопроводность раствора , Вт∕(м·К)	0,6539	0,25958	[2]
Плотность раствора , кг∕м3	972,855	1153,66	[2]
Теплоемкость раствора С, Дж∕(кг·К)	1728,8	2533,32	[2]
Вязкость раствора , Па·с	0,1·10-3	0,29·10-3	[2]
Поверхностное натяжение Н ∕м	0,058	0,066	[2]
Теплота парообразования rв, Дж ∕кг	2234·103	2335,44·103	[1]
Плотность пара , кг∕м3	0,8254	1,9422	[1]

  

   Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

 Вт∕м²;

 Вт∕м².

 

   Как видим,  .

   Находим К₁:

 Вт ∕(м²·к).

 

   Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂. для этого найдем:

 

 Вт ∕(м²·к).

 град.

 град.

 

  

 

Проверим правильность первого приближения по равенству  удельных тепловых нагрузок:

 Вт∕м²;

 Вт∕м².

   Как видим,  .

   Определим К₂:

 Вт ∕(м²·к).

 

3.9 Распределение полезной разности температур

 

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

 

,

 

   где  , Q_i, K_i – соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j – го корпуса.

   Подставив численные значения, получим:

 

 град;

 град.

 

   Проверим общую  полезную разность температур установки:

 

 град.

 

    Теперь рассчитаем  поверхность теплопередачи выпарных  аппаратов по формуле:

 

.

   Тогда:

 м²;

 м².

 

   Найденные значения  мало отличаются от ориентировочно  определенной ранее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных изменений аппарата. Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур представлено ниже:

                                                                                           Корпус

                                                                                           1               2

Распределенные в 1 –  м приближении значения , град.     22,13        27,39

Предварительно рассчитанные значения , град.                14,5              36

 

3.10 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

 

   Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:

Параметры	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде , кг ∕с	0,858	0,842
Концентрация растворов  х, %	8,75	40
Температура греющего пара в 1 –м корпусе tГП1, 0С	125	―
Полезная разность температур , град	22,13	27,39
Температура кипения  раствора tк=tг - , 0С	102,87	77,61
Температура вторичного пара , 0С	73,37	48,11
Давление вторичного пара РВП, МПа	0,0376	0,0117
Температура греющего пара tг=tВП - , 0С	―	46,11

 

   Рассчитаем тепловые  нагрузки (в кВт):

 

Q₁=1,03·0,858 (2687-4,19·102,87)=2059,85кВт;

Q₂=1,03·[(1,944-0,858)1,3069(69-110,5)+0,843(2579,8-4,19·69)]=2000,78 кВт;

 

   Расчет коэффициентов  теплопередачи, выполненный описанным  выше методом, приводит к следующим результатам: К₁=1305 Вт ∕(м²·к); К₂=2022 Вт ∕(м²·к).

   Распределение  полезной разности температур:

 

 град;

 град.

 

   Проверка суммарной  полезной разности температур:

 

=22,47+27,05=49,52 ⁰С.

 

   Сравнение полезных  разностей температур  полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено ниже:

                                                   Корпус

                                                 1                            2

   во 2 – м приближении, град.                 22,47                    27,05

   в 1 – м приближении, град.                   22,13                    27,39

 

   Поверхность теплопередачи  выпарных аппаратов:

 

 м².

 

   По ГОСТ 11987 – 81 [3] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2).

 

3.11 Определение толщины тепловой изоляции

 

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

 

,

 

   где  =9,3+0,058· - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт ∕(м²·к); - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирают в интервале 35 – 45 ⁰С, = 40 ⁰С; - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенок аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимаем равной температуре греющего пара ; t_в – температура окружающей среды (воздуха), ⁰С, t_в=20 ⁰С; - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт ∕(м²·к).

   Рассчитаем толщину  тепловой изоляции для 1 – го корпуса:

 

 Вт ∕(м²·к).

 

   В качестве  материала для тепловой изоляции  выберем совелит (85 % магнезит + 15 % асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности  = 0,09 Вт ∕(м²·к).

   Тогда получим:

 м.

 

   Принимаем толщину тепловой изоляции 0,027 м и для других корпусов.

 

 

 

4 Расчет барометрического конденсатора

 

4.1 Расход охлаждающей  воды

 

   Расход охлаждающей  воды G_В определяют из теплового баланса конденсатора:

 

,

 

   где I_БК – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж ∕кг; t_н – начальная температура охлаждающей воды, ⁰С, t_н=16 ⁰С; t_к – конечная температура смеси воды и конденсатора, ⁰С.

   Разность температур  между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 – 5 град. Поэтому конечную температуру воды  t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

 

t_К= t_БК – 3=45 – 3 = 42 ⁰С.

   Тогда

 кг ∕с.

 

4.2 Диаметр  конденсатора

 

   Диаметр барометрического  конденсатора d_БК определяют из уравнения расхода:

 

,

 

   где  - плотность паров, кг ∕м³, =0,062563 ∕м³ при Р_ВП2=0,0103 ; - скорость паров, м ∕ с.

   При остаточном  давлении в конденсаторе порядка  10⁴ Па скорость паров               = 15 – 25 м ∕ с, = 20  м ∕ с. Тогда

 

 м.

 

   выбираем барометрический  конденсатор диаметром d_БК=1000 мм    [приложение 4.6, 4].

 

4.3 Высота барометрической  трубы

 

   В соответствии  с нормалями, внутренний диаметр  барометрической трубы d_БТ равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

 

м ∕с.

 

   Высота барометрической трубы:

 

,

   где В – вакуум  в барометрическом конденсаторе, Па; - сумма коэффициентов местных сопротивлений; - коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

 

В = Р_атм – Р_БК = 9,8·10⁴ - 1·10⁴ = 8,8·10⁴ Па.

,

 

   где  - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

   Коэффициент трения  зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе: