Расчет коэффициентов теплопередачи

Данные для расчета коэффициента теплопередачи в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Таблица 4

  №   Наименование величины   Единицы измерения Номер корпуса
Температура греющего пара Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru 113,57 102,13 72,91
Температура кипения р-ра 105,38 80,87 63,37
Скрытая теплота конденсации греющего пара   Дж/кг      
Высота труб выпарного аппарата   м      
Наружный диаметр трубок аппарата   м   0,038   0,038   0,038
Коэффициент, характеризующий содержание воздуха в паре   -   0,65   0,65   0,65
Толщина стенки трубок выпарного аппарата   м   0,002   0,002   0,002
Теплопроводность стенки трубок Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru 17,5 17,5 17,5
Толщина накипи м 0,002 0,002 0,002
Теплопроводность накипи Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru
Уточненное значение выпарной воды по корпусам   кг/с            
Концентрации р-ра на выходе из корпуса   %   24.18     17,03
Концентрации р-ра на выходе их установки   %        
Расход сокового пара из корпуса с максимальной концентрацией   кг/с            
Условное обозначение аппарата - 3.1 3.1 3.1
Скорость р-ра в трубках м/с
Плотность р-ра кг/ Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru 1204,086 1064,049 1115,083
Вязкость р-ра Па      
Теплоемкость р-ра Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru )      
Теплопроводность р-ра Вт/(м)      

Коэффициенты теплопередачи для всех корпусов выпарки я рассчитал на ЭВМ по разработанной программе, используя данный табл.4.

Коэффициенты теплопередачи для всех корпусов

Номер корпуса К АЛЬФА 1   АЛЬФА 2   Тстенки q
397,1866 273,7979 447,3998 7911,457 6295,75 6233,271   655,2822 420,3084 793,4331     113,1588 101,2054 72,22501   3252,959 5820,942 4268,197  

Таблица 5

Уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор выпарных аппаратов:

Применяя основное уравнение теплопередачи к любому корпусу выпарной установки, рассчитываю для него при принятом ранее температурном режиме требуемую поверхность теплообмена

Fi=Qi/Ki*∆ti

где Qi - тепловая нагрузка, Вт

∆t – полезная разность температур в i-ом корпусе, установленная на предыдущих этапах расчета, °C

Ki – коэффициенты теплопередачи, Вт/м2К

Численное значение Qi находят по формуле

Qi=Dir*(Jiriktik),

где Dir и Jir – расход (кг/с) и энтальпия (Дж/кг) греющего пара поступающего в аппарат,

сik и tik - теплоемкость (Дж/кгК) и температура (°C) конденсата

Считая, что конденсат из аппарата выводится при температуре конденсации, принимаю tik= tir

Все значения величин, входящих в формулу определены при составлении приблизительного температурного режима работы установки и при решении системы теплового баланса выпаривания

Q1 = 2,853 * 2223.6 =6343900 к Вт

Q2 = 2,813 * 2250.4 =6330300 кВт

Q3 = 3.010 * 2323.4 =6993400 кВт

F1 =6151020 /669,3141*10,616=913,3 м2

F2 =6254927/1945,788* 11,541=878,15 м2

F3 = 6448087/1558,662*19,841=856,4 м2

Расхождение между большей и меньшей площадью аппаратов составляет больше 10%. Поэтому требуется провести уточнение распределения полезной разности температур установки по корпусам.

∆ti = ∆tпол* (Qi / Ki)/ ∑(Qi / Ki)

∆t1 = 8,191096°C

∆t2 = 21,26658 °C

∆t3 = 8,41°C

F1 =6343900/397.1868*8.191096=1949.9 м2

F2 =6330300/273,7979*21,26658 =1087.1 м2

F3 =6993400 /447.3998*8,41=1908.3 м2

Расчет вспомогательного оборудования

Все вспомогательное оборудование выпарной установки (барометрический конденсатор, вакуум-насос, подогреватели раствора и основные трубопроводы) рассчитываю и выбираю по ГОСТ для наихудших условий работы, а именно для момента, предшествующего остановку установки.

Расчет барометрического конденсатора

В выпарных установках для создания вакуума применяют барометрический конденсатор смешения или пароэжекторные установки. При этом конденсация сокового пара последнего корпуса для уменьшения количества загрязненных сточных вод обычно осуществляется в 2 ступени: сначала (80÷90%) пара конденсируются в поверхностном конденсаторе (трубчатом или спиральном), а оставшийся пар конденсируется либо в барометрическом конденсаторе, либо в пароэжекторной установке.

При расчете барометрического конденсатора определяю его размеры и расход охлаждающей воды.

Пересчет расхода вторичного пара, поступающего в конденсатор на давление 0,1 ат.

где Wт и ρт- расход (кг/с) и плотность (кг/м3) пара при давлении p=0,1 ат.

Wпс и ρпс- расход (кг/с) и плотность (кг/м3) сокового пара, выходящего из последнего корпуса установки;

с – коэффициент, учитывающий долевой расход сокового пара, поступающего в барометрический конденсатор (с=0,1÷0,2) [5].

Принимаю с=0,15

Плотность выбираю из учебного пособия [2]:

при Р= 0,1 ат, ρт = 0,06686 кг/м3

ρпс = 0,1283 кг/м3

______________

Wт=0,15*2,925√0,06686/0,1283 = 0,316 кг/с

По значениям Wт и ρт уравнения массового расхода определяю диаметр барометрического конденсатора:

­­________________

Dбк =√Wт / (0.785 * ρт * ω)

где ω – скорость пара (находится в промежутке 15-20 м/с по[2]), принимаю равной ω=20 м/с

_____________________

Dбк=√0,5514 /(0,785*0,06686*20) =0,548 м

Высоту барометрической трубы находят по формуле:

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

ρB – плотность воды, кг/м3;

λ – коэффициент гидравлического трения при движении воды в барометрической трубе;

dбт - диаметр барометрической трубы, выбранный по ГОСТу, м;

∑ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

ωВ – скорость воды в барометрической трубе, м/с;

0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м;

Расход охлаждающей воды GB определяю из уравнения теплового баланса барометрического конденсатора:

где (С * Wпс) – расход сокового пара, поступающего в барометрический конденсатор после поверхностного конденсатора, кг/с;

Jпс – энтальпия сокового пара, Дж/кг;

tн - начальная температура охлаждающей воды (в пределах 15-25 по [6]);

принимаем tн=20 °С

tк - конечная температура смеси воды и конденсата, °С;(принимаем на 3-5°С ниже температуры конденсации сокового пара), tк =61,24-3 = 58.24 °С

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru - теплоёмкость воды, Дж/кг*К, 4,19 кДж/кг*К

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

тогда скорость движения смеси воды и конденсата в барометрической трубе находят по уравнению массового расхода

ωB = (GB + C*Wпс)/ 0,785 ρB d2бт

ωB = (6,4+ 0,15*2,925)/0,785*1000*(0, 3)2 = 0,096 м/с

Величина ∑ξ складывается из коэффициентов местных сопротивлений на входе ξ=0,5 в трубу и на выходе из неё ξ=1 по учебному пособию [4], значение λ для гладких труб находят по графику в зависимости от режима течения жидкости, определяемому критерием Рейнольдса:

Re = ωB*dбтB / μB,

Re = 0,096 *0,3*1000 / 0,359832*10-4 = 800373

Нбт = 10 м

Расчёт вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора в единицу времени:

Gвозд. =2.5*10-5 (Wпс + Gв ) + 0.01* Wпс

где 2.5*10-5 – массовый расход газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 – массовый расход газа, подсасывающегося в конденсатор через неплотности, на 1 кг пара.

Эта формула учитывает, что весь неконденсируемый газ из поверхностного конденсатора отсасывается через барометрический конденсатор.

Gвозд = 2,5*10-5(2,925+6,4)+0,01*2,925= 0,03 кг/с

Объемную производительность вакуум-насоса рассчитывают по формуле

где R = 8310 Дж/(кмоль*К) – универсальная газовая постоянная;

Mвозд – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

tвозд – температура воздуха, °С;

Рвозд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

tвозд = tн + 4 + 0.1*( tк + tн)

где tк и tн – конечная и начальная температура воды, °С;

tвозд = 20+ 4 + 0,1(58.24 +20) = 31.92°С

Выбор вакуум-насоса произвожу по учебному пособию [3] по объемной производительности Vвозд и степени разрежения от атмосферного давления

А = (В/101.3)*100%,

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, кПа.

А=(88/101.3)*100% = 86,87 %

По объемной производительности Vвозд = 9,2 м3/мин выбираем вакуум-насос типа ВВН-12

Расчет подогревателей раствора

Поскольку для эффективной работы установки в выпарные аппараты раствор должен поступать при температуре не ниже его температуры кипения в этих аппаратах, то схемой установки на линии подачи исходного раствора и на противоточных участках схемы предусмотрена установка подогревателей раствора. Температуры раствора на входе в любой подогреватель и на выходе из него определяются их расположением в схеме и были приняты ранее при решении системы уравнений теплового баланса выпарки.

Считая, что в качестве подогревателей раствора установлены одноходовые кожухотрубные теплообменники, проведем их упрощенный расчет, определив требуемую поверхность нагрева и расход греющего пара. Так как схемой установки отбор экстра-пара на подогреватели не предусмотрен, то в качестве греющего пара в них используется пар таких же параметров, как для первого корпуса.

Поверхность нагрева любого подогревателя нахожу из основного уравнения теплопередачи

F=Q/K*∆tcр,

где Q – количество теплоты, необходимое для нагрева раствора, Вт;

K – коэффициент теплопередачи в подогревателе, Вт/м2К;

∆tср – средняя движущая сила теплопередачи, °С

Тепловой поток Q от греющего пара к раствору в подогревателе определяют по формуле:

Q=Gpсp(tвых - tвх),

где

Gр – расход раствора, кг/с;

ср – теплоемкость раствора, Дж/кгК

tвх и tвых – температуры раствора на входе и выходе

Все эти параметры определяются местом расположения подогревателя на схеме. Для подогревателя, расположенного на линии подачи исходного раствора в установку, значение Kпод примем по значениюKва в том корпусе, в который после подогревателя поступает раствор, сохраняя предыдущее условие о возможном ухудшении условий теплообмена.

Подогреватель перед 1 корпусом.

Kпод = 0.8* Kва =0.8*1519.08 = 1215,2 кВт/м2К

Расчет поверхности нагрева:

Q= 2,925* 3817,5*(80,16-61,63) = 206909,454 кВт/ м2К

ωт1 = 2,925/071592*1056,736 = 0,003866294 м/с

Гидродинамический режим в них оценивают по критерию Рейнольдса:

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

где d – внутренний диаметр труб в теплообменнике, м;

ν – вязкость проходящего через теплообменник раствора, м2

Re = 0,00,866294*0,034*1056,736/0,35* Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru =0,396* Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

После окончательного выбора теплообменника рассчитываю расход греющего пара в нём:

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

где параметрам пара J1r и конденсата (ck1 и tk1) соответствуют параметры греющего пара и конденсата первого корпуса выпарной установки.

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

Расчет и выбор насосов

Для выбора насосов по каталогу необходимо рассчитать его объемную производительность и сопротивление сети, на которую работает насос.

Объемная производительность равна:

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

где G – массовый расход раствора, перекачиваемого насосом, кг/с,

ρ – плотность этого раствора, кг/м3.

Величины G и ρ для каждого рассчитываемого насоса имеют свое численное значение, которое определяют по месту расположения насоса на схеме установки.

Объемная производительность Q

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

Сопротивление сети Нс, на которую работает насос, рассчитывают по формуле:

t wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t> ,</m:t></m:r></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru

где

P1 – атмосферное давление, т.к в баке исходного растворе атмосферное давление, Па;

P2 – давление в аппарате, в который подается раствор, т.к. оно меньше атмосферного, то принимаем его равным атмосферному, Р2 = Р1, ориентируясь на наиболее плохие условия работы насоса в период пуска установки в работу или при промывке труб аппарата, когда в аппарате тоже атмосферное давление, Па;

ρ – плотность воды, кг/м3;

Нг – геометрическая высота подъема жидкости, м;

hn - гидравлические потери во всасывающем и нагнетательном трубопроводе, в которые включены и гидравлические сопротивления теплообменника, установленного на линии нагнетания, м.

Нс =14,186 м. вод. ст.

По рассчитанным значениям объемной производительности и сопротивлений сети выбираем центробежный насос марки Х45/21:

Q = 1,25 м3

Н = 13,5 м;

n = 48,3 с-1

Расчет основных трубопроводов

К основным относят трубопроводы для подачи в аппарат греющего пара и раствора и для отвода из аппарата сокового пара, упаренного раствора и конденсата.

При расчёте из уравнения массового расхода необходимо определить диаметры трубопроводов:

Расчет коэффициентов теплопередачи - student2.ru ,

где G – массовый расход жидкости или пара, кг/с;

ρ – плотность жидкости или пара, кг/м3;

ω – скорость жидкости или пара по трубопроводу, м/с.

Расчет диаметров провожу для указанных трубопроводов, выбирая аппараты, в которых по раствору будут наибольшие массовые расходы, а по пару - наименьшие значения плотности , то есть рассчитываю диаметры для входа раствора в аппарат и выхода из него по аппарату, в который поступает исходный раствор, а диаметры для подачи греющего пара и для отвода сокового пара и конденсата по последнему корпусу установки.

Массовые расходы раствора, конденсата и пара определяют для указанных аппаратов в соответствии со схемой установки. Плотность пара находим по таблице свойств насыщенного водяного пара [2] при соответствующих температурах греющего и сокового пара последнего корпуса. Плотность конденсата берём из таблицы физических свойств воды (на линии насыщения) [2]. Значение скорости принимают в соответствии с учебным пособием [2].

Наибольшие массовые расходы в первом корпусе, поэтому расчет диаметров трубопроводов по раствору проводим по первому корпусу.

Наименьшие значения плотности в третьем корпусе, поэтому расчет диаметров трубопроводов по пару проводим по третьему корпусу.

ω1 =2,5м/с для раствора

p= А(1+0,0052∙xн)

А = 1002,8 – 0,15545∙tн – 0,0028842∙tн2 = 986.459

p = 986.459 (1 + 0,0052∙13) = 1053,144кг/м3

d=√15.83/(0,785*1053,144 *2,5) = 0,0875 м

Расчет диаметра труб для отвода конденсата по третьему корпусу

Gк = D = D= W2 = 6,003

ωк =2.5м/с

ρк = 980.82 кг/м3 (при tk = 64.413°С )

d=√24,167/(0.785*960.69 *2.5)=0,113 м

Расчет диаметра труб для подвода греющего пара по третьему корпусу.

ρГП = 1064.136 кг/м3 (при tГ = 73.32058°С )

ωГП =40 м/с

d=√15.83/(0,785*1064.136 *40)=0.022 м

Расчет диаметра труб для отвода сокового пара.

pГП = 981.175/м3 (при tk = 62.13°С )

ωГП = 40 м/с

d=√15.83/(0,785*981.175*40)=0,023м

По рассчитанным значениям диаметров выбираем трубопроводы по ГОСТам, данные заносим в Таблицу 6.

Таблица 6

Параметры Для подачи раствора Для отвода раствора Для отвода конденсата Для подачи греющего пара Для отвода сокового пара
Наружный диаметр трубы , мм
Толщина стенки , мм

Наши рекомендации