Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

. Тогда общая полезная разность температур

Проверим общую полезную разность температур:

4.1.4. Определение тепловых нагрузок

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:

(4.8)

(4.9)

(4.11)

где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; C ₁, C ₂, C ₃ — теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, кДж/(кг×К) [3]; Q _1конц, Q _{2 конц}, Q _{3 конц}— теплоты концентрирования по корпусам, кВт; t _н — температура кипения исходного раствора при давлении в 1 -м корпусе; (где — температурная депрессия для исходного раствора);

где — производительность аппаратов по сухому КОН, кг/с; — разность ин­тегральных теплот растворения при концентрациях и , кДж/кг [З]. Тогда

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр	Корпус
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	3,04	3,21	3,47
Концентрация растворов x, %	6,8	11,3	40,0
Давление греющих паров P r,МПа	1,079	0,7242	0,3694
Температура греющих паров tr, °C	183,2	166,3	140,6
Температурные потери SD, град	3,77	6,14	33,83
Температура кипения раствора t к, °С	170,07	146,74	87,43
Полезная разность температур D t п, град	13,13	19,56	53,17

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом

корпусе от предварительно принятых (w₁ = 2,95 кг/с, w₂ = 3,24 кг/с, w₃ = 3,53 кг/с) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам. Если же расхождение составит более 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.

4.1.5. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора КОН в интервале изменения концентраций от 5 до 40% [б]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности l _ст = 25,1 Вт/(м×К).

4.1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи

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

(4.13)

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К ₂. Для этого найдем:

. Как видим, Определим K ₂:

Рассчитаем теперь коэффициент теплопередачи для третьего корпуса K ₃:

Как видим, . Найдем K ₃:

При кипении растворов в пленочных выпарных аппаратах коэффициент теплоотдачи рекомендуется [10] определять по уравнению

(4.16)

Здесь l — теплопроводность кипящего раствора, Вт/ (м К); d — толщина пленки (в м), рассчитываемая по уравнению

(4.17)

где v—кинетическая вязкость раствора, м²/с; Re = 4 Г / m — критерий Re для пленки жидкости; Г = G_j / П—линейная массовая плотность орошения, кг/(м×с); Gj — расход раствора, поступающего в j -й корпус, кг/с; P = p d _вн n= F_ср / H — смоченный периметр, м;

m — вязкость кипящего раствора, Па×с; q— тепловая нагрузка, которую в расчете принимают равной a₁D t ₁, Вт/м².

Значения коэффициентов и показателей степеней в уравнении (4.16);

при q< 20 000 Вт/м²: с = 163,1, п = — 0,264; m = 0,685;

при q> 20 000 Вт/м²: c=2,6, n = 0,203, m=0,322.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения, а также а аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечиваются высокие скорости движения растворов в трубках греющей камеры и вследствие этого — устойчивый турбулентный режим течения. Принимая во внимание, что разность температур теплоносителей (греющего пара и кипящего раствора) в выпарном аппарате невелика, для вычисления коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости используют эмпирическое уравнение [7]:

(4.18)

Физические характеристики растворов, входящие в критерии подобия, находят при средней температуре потока, равной

(4.19)

4.1,7. Распределение полезной разности температур

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

(4.20)

где — соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j -го корпуса. Подставив численные значения, получим:

Проверим общую полезную разность температур установки:

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (4.1):

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fop. 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 D t _п представлено ниже:

	Корпус
Распределенные в 1-м приближении значения D t п, град.	26,36	27,09	32,41
Предварительно рассчитанные значения D t п, град.	13,13	19,56	53,17

Второе приближение

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 различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условий равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

4.1.8. Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:

Параметры	Корпус
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	3,04	3,21	3,47
Концентрация растворов x, %	6,8	11,3
Температура греющего пара в 1-м корпусе D t r l, °С	183,2	—	—
Полезная разность температур D t п, град	26,36	27,09	32,41
Температура кипения раствора t к = t г — D t п, °С	156,84	125,98	87,43
Температура вторичного пара t вп = t к — (D/+D//), °C	154,07	120,84	54,6
Давление вторичного пара P вп, МПа	0,5297	0,2004	0,0154
Температура греющего пара t г = t вп — D///, ° С	—	153,07	119,84

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

.

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт / (м²×К)]: К ₁.= 2022; К ₂ = 1870; К ₃ = 1673.

Распределение полезной разности температур:

Проверка суммарной полезной разности температур:

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

	Корпус
D t п во 2 -м приближении, град	25,5	26,43	33,93
D t п в 1-м приближении, град	26,36	27,09	32,41

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 5 %. Если же разница превысит 5 %, необходимо выполнить следующее, 3-е приближение, взяв за основу расчета D t _п из 2-го приближения, и т. д., до совпадения полезных разностей температур.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

По ГОСТ 11987—81 [2] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками (см. Приложение 4.2):

Номинальная поверхность теплообмена F н	160 м2
Диаметр труб d	38 ´ 2 мм
Высота труб H	4000 мм
Диаметр греющей камеры d к	1200 мм
Диаметр сепаратора d с	2400 мм
Диаметр циркуляционной трубы d ц	700 мм
Общая высота аппарата H а	13 500 мм
Масса аппарата M а	12 000 кг