Методические указания

к выполнению курсового проекта на тему

“ РАСЧЕТ 3–СТУПЕНЧАТОЙ ВЫПАРНОЙ

УСТАНОВКИ”

по курсу

“ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

И УСТАНОВКИ”

(для студентов специальности 7.090510 – Теплоэнергетика

дневной и заочной форм обучения)

УТВЕРЖДЕНО

на заседании методической комиссии

энергетического факультета

Протокол №____от _____2009 г.

Мариуполь ПГТУ 2010

УДК 536. 27 (077)

Методические указания к выполнению курсового проекта на тему “Расчет 3–ступенчатой выпарной установки“ по курсу “Теплотехнологические процессы и установки” (для студентов специальности 7.090510 - Теплоэнергетика дневной и заочной форм обучения) / Сост.: В.Н. Евченко, В.А.Бежан, М.В.Медведева. – Мариуполь: ПГТУ, 2010. – 63 с.

Изложена цель и содержание курсового проекта, представлены необходимые теоретические сведения относительно методики расчета многостепенных выпарных установок. Приведен пример теплового расчета 3–ступенчатой выпарной установки с барометрическим конденсатором. Даются контрольные вопросы и список рекомендованной литературы. В приложениях представлены данные физических свойств растворов, технические характеристики выпарных аппаратов и барометрических конденсаторов, опросный листдля составления технического задания на выдачу рекомендаций по применению выпарных аппаратов и установок и эскиз-заказ на рабочее проектирование и изготовление выпарного аппарата.

.

Составители: В.Н. Евченко, доц., к.т.н.

В.А.Бежан, доц., к.т.н.

М.В.Медведева, ассист.

Ответственный

за издание В.Н. Евченко, доц.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие указания.............................................................. ….. …...4

2. Схема выпарной установки и краткие теоретические

положения...............................................................................................…5

2.1 Схема выпарной установки……………………………………………5

2.2 Общие сведения о выпарных аппаратах……………………………...8

2.3 Краткие теоретические положения…………………………………..16

3. Тепловой расчет выпарной установки.........................................22

4. Расчет барометрического конденсатора..................... ………….37

4.1 Расход охлаждающей воды…………………………………………..37

4.2 Диаметр конденсатора………………………………………………..38

4.3 Барометрическая труба……..………………………………………....39

4.4 Расчет количества отсасываемого воздуха…………………………..40

5. Контрольные вопросы к темам.....................................................41

Перечень ссылок................................................................................43

Приложение А. Физические свойства растворов...........................44

Приложение Б. Аппараты с естественной циркуляцией, соосной

нагревательной камерой и кипением раствора в трубах.........................45

Приложение В. Основные размеры барометрических

конденсаторов……….…………………………………………………......57

Приложение Г. Опросный листдля составления технического

задания на выдачу рекомендаций по применению выпарных аппаратов и установок. ……………………………………………………….............61

Приложение Д. Эскиз-заказ на рабочее проектирование и изготовление выпарного аппарата. …………………………………………...63

1 ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Методические указания предназначены для студентов специальности 7.090510 "Теплоэнергетика" При выполнении курсового проекта по промышленным тепломассообменным процессам и установкам.

Цель курсового проектирования - закрепление и углубление полученных знаний по теоретическому курсу; обучение методике расчета и конструирования наиболее распространенных в промышленности теплоиспользующих установок; привитие навыков самостоятельной работы по расчету тепломассообменных установок и аппаратов с использованием справочников, каталогов и ГОСТов; ознакомление с требованиями по оформлению технической документации и подготовка к выполнению дипломного проекта.

Среди возможных тем дипломного проектирования программой предусматривается разработка новой или модернизация существующей промышленной выпарной установки.

Процессы выпаривания нашли широкое применение в технологических схемах производства многих отраслей промышленности. Ввиду значительной энергоемкости этого процесса на первый план выдвигаются вопросы рационального проектирования выпарных установок с высокими технико-экономическими показателями.

В промышленности наиболее распространенными являются многоступенчатые выпарные установки. Их расчет заключается в совместном решении системы уравнений материального и теплового балансов с уравнениями теплопередачи. Сложность обусловлена тем, что число неизвестных в этой системе обычно превышает число независимых уравнений. Поэтому расчет выпарных установок ведут методом последовательных приближений, задаваясь значениями ряда величин.

Существуют несколько методов теплового расчета схем многоступенчатых выпарных установок. В данной работе представлен сравнительно простой и распространенный метод, предложенный проф. И.А.Тищенко. Объем курсового проекта рассчитан на 60-80 часов самостоятельной работы.

В начале семестра (1-2 недели) каждый студент получает индивидуальное задание на проектирование, после чего необходимо проработать по литературе [1-4] и конспекту лекций теоретический материал, затем изучить методику расчета по данным методическим указаниям, составить план работы и приступить к проектированию.

Расчетная часть проекта объемом 25 - 30 страниц оформляется в виде расчетно-пояснительной записки согласно требованиям ГОСТ 2.106-68 [9].

Все расчеты должны быть выполнены в Международной системе единиц (СИ).

Расчетно-пояснительная записка должна содержать:

1. Титульный лист.

2. Задание на курсовой проект.

3. Аннотацию.

4. Содержание.

5.Введение.

6. Описание принципиальной схемы выпарной установки и обоснование ее выбора.

7. Тепловой расчет выпарной установки.

8. Алгоритм и результаты вариантных расчетов на ЭВМ.

9. Краткое описание и сравнительную характеристику выпарного аппарата.

10. Расчет барометрического конденсатора.

11. Выбор насосов по техническим характеристикам.

12. Список литературы.

13. Опросный лист и эскиз-заказ.

Графическая часть проекта объемом 2,5-3 листа формата А1 выполняется с соблюдением стандартов ЕСКД и правил оформления машиностроительных чертежей [9] и должна содержать:

1. Технологическую схему выпарной установки.

2. Эскизный чертеж общего вида аппарата с необходимыми разрезами, вырывами, сечениями для более полного пояснения конструкции аппарата.

3. Эскизный чертеж барометрического конденсатора.

Работа над проектом должна быть завершена за 2-3 недели до окончания семестра. Полностью оформленный курсовой проект сдается руководителю для проверки не позднее чем за неделю до зашиты.

Защита курсовых проектов студентами проводится публично перед комиссией, состоящей из двух преподавателей, в соответствии с графиком защит проектов. Студент должен сделать краткий доклад (5-7 мин). По существу проекта и ответить на вопросы членов комиссии. Оценка выставляется в зависимости от уровня защиты, качества выполнения и оформления проекта.

Защита проектов должна быть завершена за неделю до окончания семестра. Студенты, не представившие проект в срок или получившие неудовлетворительные оценки, к повторной защите допускаются только по рекомендации комиссии.

2 СХЕМА ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ И КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1 Схема выпарной установки

В качестве технологической принимаем схему трехступенчатой прямоточной выпарной установки (рис.2.I).

Такая схема по сравнению с другими имеет ряд преимуществ:

Рисунок 2.1 - Технологическая схема выпарной установки: I – емкость исходного раствора; II – насос; III – подогреватель; IV – выпарной аппарат; V – конденсатоотводчик; VI – барометрический ящик; VII – барометрический конденсатор; VIII – вакуум-насос РМК-3; IХ – емкость готовой продукции

- меньший расход греющего пара и более глубокое использование его твила благодаря применению в последующих ступенях вторичного пара;

- меньший расход электроэнергии ввиду отсутствия перекачивающих насосов между ступенями:

- минимальные потери тепла с концентрированным раствором, покидающим установку с минимальной температурой;

- меньшие суммарные экономические затраты на процесс выпаривания, отнесенные к единице продукции;

- возможность проведения текущего и капитального ремонтов любого аппарата из-за сохранения работоспособности выпарной установки при отключении одной или даже двух ее ступеней и т.д.

Предназначенный для упаривания слабый раствор из емкости I подается насосом II в подогреватель III, где он подогревается до температуры, близкой температуре его кипения, и поступает в первую ступень IV выпарной установки. Нагрев раствора в подогревателе и обогрев выпарных аппаратов первой ступени осуществляются греющим паром из котельной или отборов турбин. Причем выбор параметров свежего пара должен быть экономически обоснован, т.к., с одной стороны, они должны быть достаточно высокими, чтобы обеспечить необходимый полезный перепад температур в каждой ступени выпарной установки, а с другой стороны, получение этих параметров греющего пара не должно приводить к чрезмерному увеличению расхода топлива или недовыработки электроэнергии в турбогенераторе.

Из первой ступени упаренный раствор благодаря разности давлений в аппаратах самотеком поступает для дальнейшего концентрирования последовательно во вторую и третью ступени выпарной установки. Причем в качестве греющего в каждой последующей ступени используется вторичный пар из предыдущей ступени.

Греющий пар, отдавая тепло раствору в кипятильных трубах, конденсируется и выводится из выпарных аппаратов с помощью конденсатоотводчиков V. Как правило, конденсат из подогревателя раствора и выпарного аппарата первой ступени достаточно чист, поэтому схема предусматривает его возврат в котельную или на ТЭЦ. Конденсат же из других ступеней в ряде случаев может быть загрязнен упариваемым раствором и в качестве котловой питательной воды использован быть не может и поэтому направляется на технологические нужды.

Для создания вакуума в последней ступени выпарной установки в схему включён барометрический конденсатор VII с барометрическим ящиком VI. Вакуум в конденсаторе создается в результате конденсации вторичных паров из последней ступени, смешивающихся с охлаждающей водой из водоемов, градирен или брызгальных бассейнов (в зависимости от принятой схемы водоснабжения). Выделяющийся при нагревании и понижении давления растворенный в воде воздух откачивается вакуум-насосом VIII.

Упаренный до заданной конденсации раствор выводится из последней ступени выпарной установки и самотеком направляется в один из сборников (емкость готовой продукции) IX. С этой целью они присоединены вакуум-линией к барометрическому конденсатору. Сборники готовой продукции работают попеременно, т.е. когда один из них заполняется упаренным раствором, из другого раствор может отпускаться потребителю. При этом первый из сборников отключен от атмосферы, находится под вакуумом и присоединен к выпарному аппарату, а второй, наоборот, отключен от выпарной установки и соединен с атмосферой.

В схеме предусмотрена установка первичных датчиков системы контроля и регулирования технологического процесса выпаривания в каждой ступени выпарной установки, теплового процесса в барометрическом конденсаторе и подогревателе исходного раствора.

В прямоточных схемах, как правило, нагрев слабого раствора до температуры кипения осуществляется в рекуперативных подогревателях перед выпарными аппаратами. Такое решение экономически более целесообразно, чем нагрев холодного раствора в самом выпарном аппарате, поскольку снижает необходимую площадь его поверхности нагрева. Стоимость единицы поверхности нагрева выпарных аппаратов всегда выше, чем у обычных теплообменников.

При работе выпарных установок непрерывного действия в установившемся режиме все технологические параметры каждого аппарата имеют вполне определенные значения и в процессе выпаривания не изменяются: температура, давление, концентрация, уровень и расход как греющего и вторичных паров, так и растворов и воды.

2.2 Общие сведения о выпарных аппаратах

Выпарные аппараты применяют для концентрирования растворов в производстве минеральных солей, органических полупродуктов и удобрений, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей и в других производствах. Могут быть также применены для регенерации растворов с целью возврата их в технологический цикл и термического обезвреживания промышленных стоков.

Индекс аппарата. Каждый аппарат имеет определенный индекс: первые три цифры — индекс группы, характеризующий тип аппарата; три цифры после тире — порядковый номер группового индекса, характеризующий параметры и основные размеры аппарата; следующая цифра — индекс, учитывающий давление в греющей камере и сепараторе; последняя цифра — индекс, характеризующий тип брызгоотделителя.

При заказе выпарного аппарата из двухслойной стали перед индексом аппарата ставят букву Д, из коррозионностойкой стали — К.

Таблица 2.1 - Классификация выпарных аппаратов

Индекс группы	Тип	Исполнение	Наименование	Область применения	Номинальная поверхность теплообмена, м2
	I	А	Аппараты с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках	Упаривание вязких растворов, не образующих осадка на поверхности нагрева	10-800
Б	Аппараты с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения с нижним солеотделением	Упаривание растворов, выделяющих кристаллы и образующих на греющих поверхностях растворимый осадок, удаляемый при промывке	25-1000
В	Аппараты с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения с верхним солеотделением	25-350
	II		Аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой	Упаривание пенящихся растворов с незначительным образованием на греющих поверхностях нерастворимого осадка, удаляемого механическим способом	25-800
	III	А	Аппараты с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения с солеотделением	Выпаривание вязких растворов, выделяющих кристаллическую фазу,которая не требует механической чистки греющих поверхностей	25-350
Б	Аппараты с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения	Выпаривание вязких растворов, выделяющих кристаллическую фазу, которая не требует механической чистки греющих поверхностей	25-100
	IV		Аппараты с принудительной циркуляцией, вынесенными греющей камерой и зоной кипения	Выпаривание вязких растворов, образующих на поверхности нагрева нерастворимый осадок, удаляемый механическим способом	25-1000
	V		Пленочные аппараты с восходящей пленкой и соосной греющей камерой	Преимущественно выпаривание пенящихся и термонестойких растворов, не образующих осадка на поверхности нагрева	63-2500

Греющие трубы представляют собой гладкие бесшовные трубы диаметром 25 и 57 мм по ГОСТ 8734075 ГОСТ 9941-81.

Индекс группы и порядковые номера выбирают по таблицам, помещенным в конце каждого раздела. Индекс, учитывающий давление в греющей камере и сепараторе, выбирают по таблице на табл. 2.1, а индекс брызгоотделителя — табл. 2.3.

Таблица 2.2 - Размеры труб греющих камер выпарных аппаратов

Тип аппарата	Исполнение	Длина трубы, м	Диаметр и толщина стенки трубы, мм
I	А	3; 4 4; 5	25х2 38х2
Б	4; 5 5; 7	25х2 38х2
В		38х2
II		4; 5	38х2
III	А		38х2
Б	4; 5	25х2
IV		5; 7	38х2
V		5; 7	38х2
7; 9	57х3*

* Указан размер трубы из углеродистой стали.

Размер трубы из коррозионностойкой стали 56х2

Кроме того, выпускаются аппараты с трубами, оребренными снаружи (толщина стенки трубы 2 мм).

Рисунок 2.2 - Трубы с наружными ребрами

Оребрение – прокаткой гладких труб на стане ХПТР 30-60. Тепловая эффективность аппаратов с трубами, оребренными снаружи, на 15-20 % выше тепловой эффективности аппаратов с гладкими трубами. Крепление труб с наружным оребрением аналогично креплению гладких труб.

Для выпаривания растворов, не оказывающих эрозионного действия, с осадком, не требующим механической очистки, допускается применение труб из коррозионностойких сталей со стенкой толщиной 1,5 мм.

Расположение отверстий для крепления труб в трубных решетках. Шаг разбивки отверстий под трубы в трубной решетке принят в соответствии с ГОСТ 11987—66.

Рисунок 2.3 - Шаг разбивки отверстий в трубных решетках

Брызгоотделители. Тип брызгоотделителя и его размеры выбирают, исходя из условий работы и вида упариваемого раствора.

Циклонные брызгоотделители применяют при упаривании чистых, пенящихся, кристаллизующихся и загрязненных (с механическими включениями) растворов. Эти брызгоотделители наиболее универсальны, но имеют значительное сопротивление. При выборе циклонных брызгоотделителей рекомендуется принимать скорость пара при входе в щели 15—30 м/секпри атмосферном давлении в сепараторе и 30—70 м/секпри вакууме.

Циклонные брызгоотделители при одном и том же диаметре сепаратора изготовляют в нескольких исполнениях, отличающихся количеством щелей. Поэтому индекс выбирают в зависимости от количества вторичного пара, приведенного к объему при атмосферном давлении.

А- а

Рисунок 2.4 - Циклонный брызгоотделитель

Таблица 2.3 - Основные размеры (мм) и индексы циклонных

брызгоотделителей

Диаметр сепаратораD2, мм	Количество вторичного пара, приведенного при Рс =1 кГ/см2, м3/ч	D5	d1*	H5*	H6	b	C	K	l1	l2	Количество щелей n	Индекс
	600-1200
1200-2000
2000-3500
1000; 1200	2500-3500
3500-4500
4500-8000
1400; 1600	4500-6000
6000-9000
9000-14000
1800; 2000	8000-9000
9000-11000
11000-14000
14000-24000
2200; 2400	13000-17000
17000-20000
20000-35000
2600; 2800	19000-20000
20000-25000
25000-32000
32000-46000
3000; 3200	25000-28000
28000-32000
32000-40000
40000-62000
3400; 3600	32000-34000
34000-40000
40000-50000
50000-80000
	50000-60000
	60000-80000
	80000-90000
	90000-110000

* Размеры относятся также к сетчатым и жалюзийным брызгоотделителям

Высота жалюзийных брызгоотделителей 80 мм, сетчатых – 160 мм.

Индексы жалюзийных и сетчатых брызгоотделителей (соответственно) 33 и 34. Конструкция этих сепарирующих устройств зависит от диаметра сепаратора.

Таблица 2.4 - Зависимость сопротивления от скорости пара при

входе в щели брызгоотделителя

Давление в сепараторе 1 кГ/см2	Скорость пара, м/сек
Сопротивление, мм вод. ст
Вакуум в сепараторе 620 мм. рт.ст.	Скорость пара, м/сек
Сопротивление, мм вод. ст

Жалюзийные брызгоотделители применяют при упаривании чистых и слабокристаллизующихся растворов, образующих легкосмывающиеся осадки. Для промывки брызгоотделителей предусмотрено промывочное устройство (форсунки).

Рисунок 2.5 - Жалюзийный брызгоотделитель

Рекомендуемые эффективные скорости пара (по сечению сепаратора): при давлении 1 кГ/см² — 2÷5 м/с; при вакууме до 700 мм рт. ст. — 4÷8 м/с.. Максимальное сопротивление — до 50 мм вод. ст

Сетчатые брызгоотделители применяют при упаривании пенящихся чистых растворов, не образующих осадка.

Рекомендуемые эффективные скорости пара (по сечению сепаратора): при давлении 1 кГ/см² — 1,5÷5,5 м/с; при вакууме до 700 мм рт. ст. — 3÷10 м/с. Максимальное сопротивление — до 50 мм вод. ст.

Для установки жалюзийных и сетчатых брызгоотделителей на сепараторах диаметром до 1200 ммнеобходимо предусматривать фланцевый разъем. Для сепараторов больших диаметров жалюзийные и сетчатые брызгоотделители изготовлены в виде секций для возможности монтажа их через штуцер выхода вторичного пара и люк.

Рисунок 2.6 - Сетчатый брызгоотделитель

Высота жалюзийных брызгоотделителей 80 мм, сетчатых — 160 мм.

Сетчатые брызгоотделители набирают из сеток по ГОСТу 2715—44, укладываемых горизонтальными слоями на поддерживающую решетку. Материал жалюзи и сеток — коррозионностойкая сталь.

Индексы жалюзийных и сетчатых брызгоотделителей (соответственно) 33 и 34. Конструкция этих сепарирующих устройств зависит от диаметра сепаратора.

2.3 Краткие теоретические положения

Рассмотрим на примере одноступенчатой выпарной установки непрерывного действия распределение температур по высоте ее отдельных частей и элементов (рис. 2.7).

Греющий пар поступает в выпарной аппарат с температурой t_гр (т.а), отдает тепло нагреваемому раствору, конденсируется и с той же температурой t_гр конденсат покидает греющую камеру (т. б). В случае подачи в установку перегретого пара (т. а') и с учетом переохлаждения конденсата (т. б") для гарантированного его дальнейшего течения в трубопроводе без самовскипания тепловой процесс в греющей камере изобразится следующим образом: вначале идет процесс охлаждения перегретого пара (линия а'а"), затем процессы его конденсации при постоянной температуре (линия а"б") и охлаждения конденсата (линия б'б"). Обычно в тепловых расчетах выпарных установок перегрев пара и переохлаждение конденсата не учитываются и процесс теплопередачи рассматривается при постоянной температуре (прямая аб).

Ввиду различия гидростатических давлений внутри упариваемого раствора и на его свободной поверхности соответственно наибольшая температура кипения раствора наблюдается в нижней части кипятильных труб () и наименьшая - в их верхней части (). Поэтому тепловой расчет выпарной установки ведут по некоторой средней температуре (температура кипения раствора у середины греющих труб (), соответствующей гидростатическому давлению в среднем слое упариваемого раствора:

, (2.1)

где Р_вт - давление насыщения (конденсации) вторичного пара, Па;

ΔР_г - повышение гидростатического давления в среднем слое, Па;

Н_ур - уровень раствора в трубах, определяемый по водомерному стеклу, м;

Разность температур насыщения паров растворителя в рассматриваемой точке J ^с и на свободной поверхности упариваемого раствора J _вт называется гидростатической депрессией:

, (2.2)

и приблизительно соответствует разности температур кипения раствора в этих же точках.

Понижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией Δ1 [1]:

. (2.3)

Таким образом, температура вторичного пара в выпарном аппарате (т.г) всегда ниже температуры кипения раствора (т.в) на величину Δ1.

Понижение температуры вторичного пара, связанного с потерей давления на трение и в местных сопротивлениях паропровода, соединяющего соседние аппараты выпарной установки, называется гидравлической депрессией Δ3. Поэтому температура пара на входе в барометрический конденсатор t_см = J _к ввиду потерь давления в каплеулавливающем устройстве, регулирующей и запорной арматуре и т.д. будет ниже температуры насыщения вторичного пара над зеркалом испарения J _вт на величину Δ3.

Сумма физико-химической, гидростатической и гидравлической депрессий называется полной температурной депрессией, или суммой температурных потерь выпарной установки:

. (2.4)

Температура влажного воздуха, откачиваемого из противоточного барометрического конденсатора, может быть определена по приближенной эмпирической формуле [1, 2]

, (2.5)

где t'_в и t"_в - начальная и конечная температуры охлаждающей воды.

В конденсаторах смешивающего типа температура конденсата равна конечной температуре охлаждающей воды. Ее величину t"_в, ввиду несовершенства процесса тепломассообмена в этих аппаратах, принимают не менее чем на 3° С ниже температуры конденсации пара, соответствующей давлению в конденсаторе Р_к.

Разность между температурой греющего пара, поступающего в первую ступень выпарной установки t_гр и температурой конденсации пара в конденсаторе J _к, называется общей располагаемой разностью температур

. (2.6)

Полезная разность температур выпарной установки меньше общей располагаемой разности на величину полной температурной депрессии:

. (2.7)

Величина Δt_пол выражает средний температурный напор в уравнении теплопередачи при определении поверхности нагрева выпарной установки.

Для многоступенчатой выпарной установки суммарную полезную разность температур Δt_пол необходимо распределить между отдельными ее ступенями

. (2.8)

Такое распределение можно произвести по одному из следующих вариантов:

1. Выпаривание при одинаковых поверхностях нагрева всех ступеней

Полезная разность температур для любой ступени при этой должна определяться

, (2.9)

т. e. пропорционально отношениям тепловых нагрузок Q к коэффициентам

теплопередачи k.

2. Выпаривание с минимальной обшей поверхностью нагрева

Полезная разность температур для любой ступени при этом должна

определяться

. (2.10)

3. Выпаривание с минимальной общей поверхностью при одинаковых поверхностях нагрева каждой ступени

Полезная разность температур для любой ступени при этом должна определяться

. (2.11)

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося в греющей камере водяного пара к кипящему в трубках раствору определяется

, (2.12)

где α _конд, α_кип - коэффициенты теплоотдачи соответственно от

конденсирующегося пара к стенкам труб и от стенок греющих труб к кипящему раствору, Вт/(м²К);

δ_нак, δ_ст - средние толщины соответственно слоя накипи на греющихтрубах и стенок греющих труб, м;

λ_нак , λ_ст - коэффициенты теплопроводности, соответственно, накипи и стенок греющих труб, Вт/(м К)

Рисунок 2.6 - Схема и график распределения температур одноступенчатой выпарной установки

Коэффициенты теплоотдачи α _конд и α_кип определяются на основании критериальных уравнений [2]:

. (2.13)

. (2.14)

Для практических расчетов эти зависимости могут быть преобразованы к виду

; (2.15)

, (2.16)

где l= Н - высота греющих труб, м;

n< 1- показатель степени;

q - плотность теплового потока, Вт/м²;

B - расчетный коэффициент, зависящий от физичеcких свойств кипящего раствора.

А - расчетный коэффициент, зависящий от физических свойств пленки конденсата и пара.

, (2.17)

где t_конд = t_гр - температура конденсации греющего пара, ⁰С;

Для трехступенчатой выпарной установки коэффициенты теплоотдачи α_кип могут быть также определены по эмпирическим формулам Л.С. Стермана [1] соответственно для

1 ступень ;

2 ступень ; (2.18)

3 ступень ;

где P_вт - давление вторичного пара в соответствующей ступени выпарной установки, бар.

3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

Методика расчета изложена на конкретном примере проектирования трехступенчатой выпарной установки для выпаривания G_Н = 16 т/ч раствора КОН от начальной концентрации в'_Н = 10% до конечной концентрации в "' _К = 40%. Давление греющего пара Р'_гр = 6 бар, давление в конденсаторе Р_к = 0,2 бар, температура охлаждающей воды t'_в = 10⁰С. Длина кипятильных труб l = 4м с толщиной стенки мм.

Производим тепловой расчет выпарной установки в первом приближении [1,2] и полученные данные сводим в табл. 3.1.

3.1 Общее количество воды, выпариваемой всей установкой

3.2 Распределение нагрузки по ступеням

На основании практических данных предварительно принимаем следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по ступеням выпарной установки:

Следовательно, количество выпариваемой воды

в I ступени: кг/с;

во II ступени: кг/с;

в III ступени: кг/с.

3.3 Расчет концентрации раствора по ступеням

Определяем количество исходного раствора, поступающего на выпаривание, и количество упаренного раствора, покидающего аппарат (начальный и конечный растворы и ), для каждой ступени

I ступень:

II ступень:

III ступень:

Концентрация раствора, вытекающего из предыдущей ступени (конечная концентрация) и поступающего в последующую ступень (начальная концентрация), будет равны:

I ступень:

%

II ступень:

III ступень:

что соответствует заданию.

Таблица 3.1 - Параметры раствора и пара по ступеням выпарной установки

(первое приближение)

№ п/п	Параметры	Ступень
I	II	III
	Количество выпариваемой воды W, кг/с	1,010	1,111	1,212
	Количество исходного раствора кг/с	4,444	3,434	2,323
	Количество упаренного раствора кг/с	3,434	2,323	1,111
	Концентрация исходного раствора %	10,000	12,94	19,13
	Концентрация упаренного раствора %	12,94	19,13	40,0
	Температура вторичного пара , ºС	144,21	122,27	60,09
	Энтальпия вторичного пара кДж/кг	2739,29	2709,89	2609,60
	Удельная теплота парообразования вторичного пара кДж/кг	2132,08	2196,51	2358,10
	Физико-химическая депрессия град	4,51	7,40	19,02
	Плотность упаренного раствора кг/м3	1120,2	1179,6	1399,0
	Гидростатическая депрессия град	0,84	1,75	17,27
	Гидравлическая депрессия град
	Температура греющего пара ºС	158,84	143,21	121,27
	Энтальпия греющего пара кДж/кг	2756,4	2738,05	2708,48
	Энтальпия конденсата греющего пара кДж/кг	670,4	602,9	509,13
	Температура кипения раствора ºС	149,56	131,42	96,38
	Теплоемкость исходного раствора СН кДж/(кг·К)	3,630	3,501	3,278
	Интегральная теплота растворения кДж/кг	966,0	962,47	953,39
	Теплоемкость упаренного раствора СК кДж/(кг·К)	3,501	3,278	2,82
	Интегральная теплота растворения кДж/кг	962,47	953,39
	Теплопроизводительность кВт	2260,66	2283,91	2560,2
	Расход греющего пара кг/с	1,084	1,070	1,164

3.4 Распределение давлений по ступеням выпарной установки

Предварительно принимаем, что перепады давлений между ступенями одинаковы, т.е. разность давлений греющего пара I ступени и вторичного пара в барометрическом конденсаторе распределяются между ступенями поровну:

Тогда абсолютные давления вторичного пара по ступеням соответственно будут равны:

в III ступени:

во II ступени:

в I ступени:

Давление греющего пара:

что соответствует заданию.

По таблицам водяного пара [5,6] определяем температуру насыщения J _вт и удельную теплоту парообразования r для принятых давлений в ступенях выпарной установки.

3.5 Расчет температурных потерь по ступеням выпарной установки

3.5.1 От физико-химической депрессии

С помощью справочников определяем значения величин повышения температур кипения раствора КОН при атмосферном давлении

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Поскольку давление в выпарных установках отличаются от атмосферного, уточняем температурные потери с помощью приближённой формулы И.А. Тищенко:

(3.1)

где – абсолютная температура насыщенных паров при найденных значениях давлений в ступенях, К;

– удельная теплота парообразования воды при данном давлении,

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Температурная потеря всей выпарной установки то физико-химической депрессии:

град.

3.5.2 От гидростатического эффекта

Определяем повышение гидростатического давления в середине омываемой раствором поверхности нагрева:

(3.2)

где – оптимальный уровень раствора в кипятильных трубах, фиксируемый по водомерному стеклу, м;

– соответственно плотности раствора и воды, кг/м³;

– высота труб в греющей камере, м.

По справочникам определяем плотности растворов в выпарных аппаратах по ранее найденным величинам концентрации в них (приложение А) и рассчитываем :

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Определяем абсолютное давление в среднем слое упариваемого раствора:

в I ступени

во II ступени

в III ступени

По таблицам водяного пара определяем температуру насыщения , соответствующую давлению в среднем слое .

Тогда температурная потеря от гидростатического эффекта (гидростатическая депрессия) определится как разность температур кипения воды в среднем слое и на свободной поверхности раствора в выпарном аппарате

(3.3)

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Температурная потеря всей выпарной установки от гидростатической депрессии:

3.5.3 От гидростатических сопротивлений

Температурная депрессия от гидростатических потерь давления при прохождении вторичного пара из парового пространства аппарата предыдущей ступени в греющую камеру последующей или в конденсатор составляет 1,0–1,5 градуса. Принимаем:

Температурная потеря всей выпарной установки от гидростатической депрессии:

Суммарные депрессионные потери общей разности температур всей выпарной установки в целом составляет:

3.6 Температура греющего пара и температура кипения растворов в

среднем слое

Температура греющего пара в каждой последующей ступени равна температуре вторичного пара в предыдущей ступени за вычетом гидравлической депрессии:

в I ступени

во II ступени

в III ступени

Для определения температуры кипения раствора в среднем слое воспользуемся уравнением:

(3.4)

в I ступени

во II ступени

в III ступени

3.7 Определение полезной разности температур

Определяем общую располагаемую разность температур выпарной установки:

Следовательно, полезная разность температур выпарной установки:

Предварительно полезную разность температур по ступеням выпарной установки определяем как разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора в среднем слое для каждой ступни:

в I ступени

во II ступени

в III ступени

3.8 Составление тепловых балансов по ступеням выпарной

установки

Количество теплоты, передаваемое через поверхность нагрева выпарного аппарата любой ступени:

(3.5)

Это количество тепла и расходуется в той же ступени выпарной установки:

(3.6)

где – расход греющего пара, его энтальпия и энтальпия конденсата греющего пара;

– расход и энтальпия вторичного пара;

– расход, теплоёмкость (приложение А) и температура раствора, поступающего в соответствующую ступень выпарной установки;

– расход, теплоёмкость и температура раствора, покидающего эту же ступень;

– тепловой эффект дегидратации (удаление паров воды) раствора (приложение А), Дж/кг;

– потери теплоты и коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Так как подогреватель раствора в данном курсовом проекте не рассчитывается, принимаем температуру кипения раствора в первой ступени

Тепловые потери I, II, и III ступенями в окружающую среду принимают равными соответственно 5, 3 и 2%, т.е.

Для первой ступени:

Расход теплоты:

Расход греющего пара:

Для второй ступени:

Расход теплоты:

Расход греющего пара:

Греющим паром во II ступени является вторичный пар I ступени.

Ранее найдено, что

Расхождение составляет:

Для третьей ступени:

Расход теплоты:

Расход греющего пара:

Греющим паром в III ступени является вторичный пар II ступени. Ранее найдено, что Расхождение составляет:

Расхождение не должно превышать двух процентов, поэтому необходимо перераспределить нагрузку по ступеням выпарной установки и повторить расчёты в следующем приближении.

Обычно после двух–трех приближений предварительно найденные величины совпадают с расчетными.

3.9 Уточненные расчеты

Перераспределяем нагрузку по ступеням выпарной установки

в I ступени:

;

во II ступени:

;

в III ступени:

.

Повторяем расчеты во втором приближении по пп. 3.3–3.8.

Трудоёмкость и повторяемость вычислительных операций делает целесообразным выполнение последующих приближений с помощью ПК. Результаты последнего приближения сводим в табл. 3.2.

3.10Расчет коэффициентов теплопередачи по ступеням выпарной

установки

Принимаем для всех выпарных аппаратов толщину слоя накипи на греющих трубах . Для стали марки Ст.3, из которой изготовлены греющие трубы, принимаем .

Коэффициент теплопередачи К от конденсирующего пара к кипящему раствору и коэффициенты теплопередачи и соответственно от конденсирующегося пара к стенкам труб и от стенок греющих труб к кипящему раствору рассчитываем по (2.12) и (2.15), (2.18)

Таблица 3.2 - Параметры раствора и пара по ступеням выпарной установки (последнее приближение)

№ п/п	Параметры	Ступень
I	II	III
	Количество выпариваемой воды W (n), кг/с	1,071	1,107	1,155
	Количество исходного раствора кг/с	4,444	3,374	2,266
	Количество упаренного раствора кг/с	3,374	2,266	1,111
	Концентрация исходного раствора %	10,000	13,174	19,611
	Концентрация упаренного раствора %	13,174	19,611	40,0
	Давление вторичного пара ,бар	4,067	2,133	0,2
	Температура насыщения вторичного пара ºС	144,217	122,28	60,094
	Энтальпия вторичного пара кДж/кг	2739,77	2710,75	2608,97
	Удельная теплота парообразования вторичного пара кДж/кг	2132,74	2197,69	2357,11
	Физико-химическая депрессия град	4,609	7,711	19,028
	Плотность упаренного раствора кг/м3	1122,47	1184,26	1399,0
	Давление в среднем слое раствора ,бар	4,162	2,254	0,425
	Температура насыщения пара в среднем слое , 0С	145,058	124,053	77,380
	Гидростатическая депрессия град	0,842	1,172	17,286