Определение коэффициентов теплопередачи в выпарных аппаратах МВУ
Для расчета выпарных аппаратов с цилиндрическими кипятильными трубками, толщина стенок которых не более 2,5¸3 мм, можно пользоваться формулой :
; (24)
где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к наружной стенке трубы, Вт/(м2×К);
- коэффициент теплоотдачи от стенки к выпариваемому раствору, Вт/(м2×К);
- толщина стенки кипятильной трубы, м.
- коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м×К);
- термическое сопротивление загрязнений с обеих сторон кипятильной трубы, (м2×К)/Вт. Значение
выбирают по экспериментальным данным [8,2,20], но если известны толщины отложений на внутренней и наружной поверхностях
и их коэффициенты теплопроводности
и
, то
вычисляют по формуле :
(25)
- термическое сопротивление оксидной пленки (учитывается только для труб из углеродистой стали).
Часто расчетный коэффициент теплопередачи вычисляют по формуле :
; (26)
где - коэффициент теплопередачи, найденный по формуле [24] в случае, когда
;
- поправочный коэффициент на загрязнение, величина которого находится в пределах от 0,7 до 0,9 в зависимости от количества отложений и их теплопроводности.
При кипении раствора, движущегося внутри трубы, имеют место две зоны теплообмена и гидродинамики.
а) Зона от начала обогрева до сечения, в котором стенка трубы достигает температуры насыщения, соответствующей давлению в этом сечении, т.е. зона, в которой происходит только повышение температуры раствора при отсутствии процесса кипения. Это так называемая конвективная зона.
б) Зона развитого кипения.
Методика расчета теплопередачи при пузырьковом кипении в трубе [9] рекомендует следующий его порядок:
I. Выбирают отношение площади сечения обратной циркуляционной трубы выпарного аппарата , к площади поперечного сечения трубного пучка
. Рекомендуется
2. Определяют размер, пропорциональный отрывному диаметру парового пузыря :
; (27)
где - коэффициент поверхностного натяжения для раствора, H/м. Определяется по концентрации и температуре выпариваемого раствора из [4] :
- плотность раствора, кг/м3; определяется по концентрации и температуре раствора из [4] :
- плотность вторичного пара, определяется по давлению вторичного пара из [3] :
- ускорение свободного падения,
3. Определяют число Прандтля для раствора по формуле:
(28)
где - изобарная теплоемкость раствора:
- динамический коэффициент вязкости раствора :
- теплопроводность раствора :
Указанные теплофизические свойства и число Прандтля определяют по концентрации и температуре раствора в данной ступени из [4] :
4.Кратностью циркуляции называют отношение количества раствора, кг/ч, циркулирующего в контуре выпарного аппарата, к паропроизводительности аппарата
. Определяется по формуле:
(29)
где С – коэффициент, значение которого выбирают в зависимости от типа выпарного аппарата по табл. 2.
Таблица 2 - Характеристики циркуляционного контура выпарного аппарата
Обозначение аппарата ГОСТ 1987-73 | С в формуле (34) | Htp, м | Ltp, м | Dtp, м | zМ |
Тип II Исполнение II: | 0,068 | 1.5Dк | 1.3Dк+0.6 | ![]() | 0,72 |
- длина и внутренний диаметр кипятильной трубы, м. Выбирается для заданного типа аппарата по [10];
- динамический коэффициент вязкости вторичного пара, Па×с, выбирается по параметрам пара из [3] :
- теплота парообразования вторичного пара :
- полезная разность температур в данном аппарате, °С или К. Пределы применения формулы (34):
n =
;
n =
n =
n =
5. Определяют массовое паросодержание двухфазного потока на выходе из кипятильных труб :
(30)
6. Вычисляют количество раствора, поступающего в кипятильные трубы :
; (31)
7. Определяют площадь сечения трубного пучка аппарата
; (32)
где - число труб в греющей камере, шт; ориентировочно выбирается по [10]; z=1580.
8. Находят массовую скорость двухфазового потока по формуле :
; (33)
9. Определяют число Рейнольдса потока жидкости в конвективной зоне кипятильной трубы:
(34)
Если , то переходят к другому варианту расчета, уменьшая число труб в греющей камере
до тех пор, пока число
не станет больше или равным 2200. Если
, то коэффициент принимают
:
10. Принимаем поправку на компановку труб:
11. Число Нуссельта вычисляется по формуле :
; (35)
;
Далее определяется коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне конвективного теплообмена:
(36)
12. Находят температуру стенки трубы со стороны конденсирующего пара:
(37)
где - температура греющего пара, ºС;
В – температура кипения раствора, ºС;
13. Определяют температуру пленки конденсата:
(38)
14. По табл. 4 в зависимости от выбирают коэффициент А, т.е.
:
Таблица 4 - Коэффициент А для воды в зависимости от
![]() | |||||||||||
А |
15. Температурный напор насыщенный пар-стенка при конденсации вычисляют по соотношению :
(39)
16. Коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара рекомендуется вычислять по формуле :
(40)
где - теплота парообразования для греющего пара, кДж/кг; выбирается по параметрам пара из таблиц [3] :
17. Усредненную температуру стенки трубы в конвективной зоне определяют из выражения:
(41)
18. Для определения размеров конвективной зоны предварительно вычисляют следующие коэффициенты:
а) (42)
Здесь в Дж/кг.
б) (43)
м;
в) (44)
г) (45)
д) (46)
е) . (47)
19. Вычисляют параметр двухфазного потока :
; (48)
и далее определяют структуру двухфазного потока в зависимости от величины и
по рис. 12источник /1/. Если при кипении имеет место туманообразный поток в трубах, который недопустим при работе выпарного аппарата, то нужно перейти к другому варианту расчета, увеличивая число труб в греющей камере или внутренний диаметр кипятильной трубы
.
I,II,III,IV,V-пузырьковый поток.
20. Объемная доля жидкости в двухфазном потоке и множитель, учитывающий потери давления в двухфазном потоке
, определяют в зависимости от
по графикам рис.13.
21. Определяют массовоепаросодержание двухфазного потока, равное 1/3 от :
и соответственно ему – параметр двухфазного потока
x
=0,00699;x
=0,01419;x
=0,02051;x
=0,02293
(49)
22. Объемную долю жидкости и множитель
определяют в зависимости от
по графикам рис.13 :
23. Определяют массовоепаросодержание двухфазного потока, равное 2/3 от :
, и соответственно ему – параметр двухфазного потока:
x
=0,00699;x
=0,01419;x
=0,02051;x
=0,02293;
(50)
24. Объемную долю жидкости и множитель
определяют в зависимости от
по графикам рис.13 :
25. Вычисляют количество жидкой фазы на выходе из кипятильных труб:
; (51)
26.Определяют диаметр трубопровода парорастворной смеси, так называемой трубы вскипания. В современных выпарных аппаратах кипение раствора происходит непосредственно в трубе вскипания, установленной над греющей камерой. Кипение в трубах предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания [10] :
(52)
где - площадь поперечного сечения трубопровода парорастворной смеси, м2. Принимается [9]
:
м;
27. Число Рейнольдса для потока в зоне течения парорастворной смеси определяют по приведенной скорости жидкой фазы:
; (53)
28. Коэффициент трения для парорастворной смеси определяют в зависимости от
по графикам рис.14, т.е.
.
29. Число Рейнольдса для потока в зоне кипения определяют по приведенной скорости жидкой фазы:
(54)
30. Коэффициент трения для потока в зоне кипения определяют в зависимости от
по графикам рис.14, т.е.
.
31. Вычисляют коэффициенты для определения размеров конвективной зоны:
а) (55)
б) ; (56)
32. Плотность двухфазного потока раствора на выходе из кипятильных труб вычисляют по формуле:
(57)
33. Высоту трубопровода парорастворной смеси (трубы вскипания) относительно верхней трубной решетки выбирают по типу аппарата из табл.2, где
- диаметр кожуха греющей камеры аппарата, м, [10]:
34. Определяют статические потери давления в трубопроводе парорастворной смеси:
(58)
35. Сумму местных сопротивлений трубопровода парорастворной смеси вычисляют по формуле :
. (59)
Здесь значения выбирают из табл.2 по принятому типу аппарата :
36. Потери давления на преодоление трения и местных сопротивлений в трубопроводе парорастворной смеси вычисляют по соотношению :
(60)
где - длина трубопровода парорастворной смеси (выбирают по типу аппарата из табл.2).
37. Суммарные потери давления в трубопроводе парорастворной смеси определяют по формуле :
. (61)
38. Вычисляют коэффициент в формуле для определения размеров конвективной зоны:
; (62)
39. Вычисляют потери давления на ускорение парорастворной смеси:
(63)
40.Находят усредненную по высоте зоны кипения плотность двухфазного потока, определяемую по массовомупаросодержанию 1/3 от :
. (64)
41. Вычисляют коэффициенты для формулы определения размеров конвективной зоны:
а) ; (65)
Y =
,кг/м
;
Y =
,кг/м
;
Y =
,кг/м
.
Y =
кг/м
.
б) ; (66)
I =
,кг/м
;
I =
,кг/м
;
I =
,кг/м
;
I =
,кг/м
;
в) ; (67)
г) ; (68)
а =
,м;
а =
,м;
а =
,м.
а =
,м.
д) ; (69)
в =
,м
;
в =
,м
;
в =
,м
.
в =
,м
.
42. Определяют длину конвективной зоны кипятильной трубы:
; (70)
Формулу (75) используют при расчете аппаратов, выпаривающих водные растворы в диапазоне изменения параметров:
;
43. Вычисляют длину зоны кипения:
; (71)
44. Рассчитывают скорость потока на выходе из кипятильных труб :
(72)
v =
,м/с;
v =
,м/с;
v =
,м/с.
v =
,м/с.
и скорость раствора в трубах :
; (73)
v =
,м/с;
v =
,м/с;
v =
,м/с.
v =
,м/с.
и далее среднюю логарифмическую скорость потока в трубах по формуле:
; (74)
v =
,м/с;
v =
,м/с;
v =
,м/с .
v =
,м/с .
45. Вычисляют коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне кипения:
; (75)
46. Вычисляют усредненное по длине трубы значение коэффициента теплоотдачи со стороны раствора:
(76)
47. По формулам (29) или (31) определяют коэффициент теплопередачи в выпарном аппарате с естественной циркуляцией при условии, что и
Определяем расчетный коэффициент теплопередачи:
где =0,8 :