Теплонспользующие установки промышленных предприятий

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Подвод тепла к выпариваемому раствору проис­ходит в греющей камере, представляющей собой обычный реку­перативный теплообменник, поэтому математические модели переноса тепла п количества движения в выпарных аппаратах будут такими же, как и для обычных поверхностных теплооб­менников.

Интегральная модель стационарного переноса тепла пред­ставлена в форме (1.28). Но так как раствор в трубном пучке греющей камеры подогревается насыщенным паром, что озна­чает постоянство температуры греющей среды /г. п, ннтегральпая модель переноса тепла в выпарном аппарате принимает вид

<2 = (8.9)

Здесь, в отличие от модели (1.28), вместо средиелогарпфмп- ческого температурного напора вводится полезная разность температур или температурный напор:

Д/п = ^г. п—^кнп« (8.10)

В зависимости от конструктивных особенностей аппарата процесс кипения раствора может иметь место как в трубном пучке, так и вне его, поэтому отмеченное обстоятельство отра­жается на способе определения коэффициента теплопередачи в трубном пучке греющей камеры.

Если дополнительное давление в трубной системе, создава­емое гидростатическим столбом жидкости, смещает процесс

Кипения с трубного пучка в зону кипения, то коэффициент теп­

Лопередачи определяется по формуле (1.75).

Когда в аппарате столб жидкости над трубным пучком мал, а интенсивность теплоподвода велика настолько, что кипение
раствора - начинается в верхней части (кипятильной зоне) труб­ного пучка, то необходимо позонное определение коэффициента теплопередачи и дальнейшее его усреднение по формуле

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

(8.11)

Где £эк, /ек — коэффициенты теплопередачи для экономайзерной и кипятильной зон, вычисленные по уравнению (1.75); 13к, Iк — длина трубок экономайзерной и кипятильной зон.

Твердые кристаллы, выделяющиеся при выпаривании насы­щенных солесодержащих растворов, неизбежно обусловливают локальную турбулизацию потока. Поэтому при расчете выпар­ных аппаратов для определения коэффициентов теплоотдачи со стороны раствора следует пользоваться уравнениями тепло­обмена (2.1), (2.4), полученными для таких растворов.

На протекаиие процессов в аппарате существенно влияют конструктивные размеры его узлов, определяющие скорость течения, значение гидростатической депрессии, чистоту вторич­ного пара, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, толщи­ну возможных отложеннй (инкрустации) на трубках. Поэтому конструктивные расчеты неотделимы от тепловых и гидродина­мических.

Тепловой расчет выпарных аппаратов выполняется для опре­деления поверхности теплообмена и режима выпарнвания раст­вора. При этом учитывают коэффициент теплопередачи, темпе­ратурную и гидростатическую депрессии, температуру кипения раствора, полезную разность температур.

Вначале находят общую тепловую нагрузку

(8.12)

подпись: (8.12)Q — ""Ь 5&СрП (^кнп ^о)-

При выпаривании растворов с выделением твердой фазы имеют место потери или выделение тепла кристаллизации. Для таких растворов

(8.13)

подпись: (8.13)Q — ^выгУп п “Ь 5сСо (^кип — ^о) Ч - СТГКр.

Расход греющего пара, если используется насыщенный пар, определяется из условия

(1,03 — коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду).

Для аппаратов с вынесенной зоной кипения коэффициент теплопередачи получаем по формуле (1.75). Так как при выпа­ривании растворов происходит отложение солей на поверхности
нагрева, рекомендуется введение эмпирического поправочного коэффициента &д = ф/: (8.15) (значение коэффициента ф дано на рис. 8.6).

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара в межтруб - ном пространстве на наружной стенке вертикальной трубы на­ходим из уравнения (2.31).

Коэффициент теплоотдачи со стороны раствора определяется для выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией по уравнению (2.4), при наличии в циркулирующем растворе твер­дой фазы — по уравнению (2.12). Для выпарных аппаратов с естественной циркуляцией рекомендуется формула (2.13).

Коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне раз­витого пузырькового кипения находим из уравнения (2.38). В начале тепловая нагрузка трубного пучка <7 неизвестна, по­этому ориентировочно ее задают на уровне (10 000—30 000) Вт/м2, а затем уточняют.

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Рис. 8.6. Зависимость коэффициента загрязнений от давлення в сепараторе

Коэффициент теплопередачи в аппаратах с кипением раство­ра в трубах и пленочных рассчитывают по уравнению (8.10).

Температурную и гидростатическую депрессии получают по формулам (8.6) и таблицам водяного пара для давлений Ръ, Рс. Определив температурную и гидростатическую депрессии, вычис­лим температуру кипения раствора (8.8) и полезную разность температур (8.10).

Располагая значениями к и Д/п (6.8), находим необходимую поверхность теплообмена выпарного аппарата

Р =

подпись: р =(8.16)

Компоновка трубного пучка осуществляется так же, как и в рекуперативных теплообменных аппаратах. После определения расчетной поверхности теплообмена рекомендуется ее увеличить на 15—20 % и выбрать аппарат по каталогу [32].

Конструктивный расчет. Производится для определения ос­новных размеров аппарата, обеспечивающих требуемые пара­метры и показатели работы. Для расчета задаются диаметром й и длиной I трубок, скоростью течения раствора в трубках при

Вынужденном течении (шр = 2-ь2,5 м/с). При естественной цир­куляции скорость определяют по уравнению [93]

Г'гЛ п с-а - / / 1»08 /и.0,35

Ш, = В (3) КГ‘ (4) М (8.17)

подпись: г'гл п с-а- / /  1»08 /и .0,35
ш, = в (3) кг‘ (4) м (8.17)
/ 1.08 /и ( 0 ,35

V где

19КЗЛ°^^. >-р(<г. п-д. _ И_13й-0.2;

/ Л' .06 ’ Ао — Ю3 С'</' п~

-1,4

Количество трубок в греющей камере г = /Г/("^/). Приняв отно­шение живых сечений трубы вскипания и трубного пучка п =

--—найдем диаметр трубы вскипания

' Т, П

Ъ. а=(1]/Гпг - (8.18)

Так как высота зоны кипения зависит от плотности паро- растпорпой смеси в трубе вскипания, сопротивления трения, скорости раствора в трубном пучке, гидростатической депрессии, плотности теплового потока, то прежде всего необходимо опре­делить перечисленные факторы. Плотность парорастворной сме­си получим по формуле [91]

- 1,15ар' - <-

1ё!+-г. (8.19)

А

Коэффициент сопротивления трения смеси

Хсм “ (1 -0.833?с)'-53’ (8’20)

1

Где? е = 1 —Iе — среднее паросодержание смеси; Хтр = 37^

Р' 21б

Д

Коэффициент сопротивления трения жидкой фазы; Д — шерохо­ватость трубы для промышленных труб принимается 0,2; 0,4;

0, 8; 1 мм: при сильно инкрустирующих растворах — 0,8; 1 мм. Тогда высоту зоны кипения вычислим по формуле [93]

0Л5Бгв. рв. Л

И ----------------------- г----- (8.21)

(273 + *„.„) рс

подпись: (273 + *„.„) рс*смир (8г+ а)2

1 +

19.6а2лг’5*0,5

Для определения диаметра сепаратора воспользуемся зависи­мостью допускаемой скорости пара шс от давления в сепараторе (рис. 8.7). Из уравнения сплошности получим

Диаметр обратной циркуляционной трубы определяется для аппа­ратов с вынесенной зоной кипения по формуле

Ал=й УТ; (8.23)

Аппаратов с кипением раствора в трубах

4Ц = (0,15 — 0,2) (1 У7 (8.24)

Высота парового пространства в аппаратах принимается конст­руктивно: при соосном вводе парорастворной смеси Ни =3ч-3,5м; при тангенциальном вводе парорастворной смеси Яп=2,5-нЗм.

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Рис. 8.7. Зависимость допустимом скорости пара от давления в сепараторе:

1 — пепспящиЛся; 2 — пенящнПсп

Для получения диаметра циклонного брызгоотделителя поль­зуемся экспериментальной зависимостью допустимой осевой ско­рости Woe от давления в сепараторе (рис. 8.8). Тогда диаметр корпуса брызгоотделителя

Д< = 1,13 УGBbinMic. (8.25)

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Рис. 8.8. Зависимость осевой скорости пара в брызгоотделителе от давления э сепараторе: 1 — цнклониыП; 2 — выносноп

Гидромеханический расчет. Предполагает определение сопро­тивления циркуляционного контура и мощности циркуляционного

Насоса. Источником сопротивлений при движении раствора (суспензии) н парожидкостной смсси является процесс необра­тимого перехода механической энергии потока в теплоту, об­условленный молекулярной и турбулентной вязкостью, наруше­нием нормального движения потока в местах изменения конфи­гурации движения и наличия препятствий движению.

Различают два вида сопротивлений: сопротивление трения Стр! местное сопротивление Общее сопротивление в элементах цир­куляционного контура выпарного аппарата равно сумме этих сопротивлений:

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

(8.26)

Общее сопротивление контура равно сумме общих сопротив­лений его элементов:

N N, N

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

(№ — число элементов в циркуляционном контуре аппарата).

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратовОпределим суммарный коэффициент сопротивления контура при условии приведения сопротивлений элементов к скорости а греющих трубках юр [92):

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

(8.28)

Йо = й У^г— приведенный диаметр трубного пучка; = ^=0,785^2г — площадь трубного пучка; ^ — диаметр элемента;

— площадь сечения элемента.

Движение раствора по циркуляционному контуру выпарного аппарата создается движущим напором, который состоит нз напора естественной циркуляции и напора, развиваемого насосом.

Эти напоры расходуются на преодоление сопротивления цир­куляционного контура из-за трения и местных сопротивлений в частях контура до начала кипения и в зоне кипения, а также па ускорение многофазной смеси в трубе вскипания:

/V

Рн + Рд ------- Лр. и Т ^уск

(=1

— потеря на смеси.

Мощность куляционного (ҐООО75,,), где ход раствора,

—потеря напора из-за трения и мест­ных сопротивлений;

«У (а + 2*г)

ЛРуск ~ ^

Ускорение многофазной

Электродвигателя цир - иасоса = 1,2УСРН/ Ус = 0,785гш'р^2 — рас - м3/с; Ри — напор насо­са, определяемый по зависимости (8.29); тдн — коэффициент полезного действия насоса, обычно = 0,6ч - 0,7.

Пример. Рассчитать выпарной аппарат (рис. 8.9) с принудительной циркуляцией для выпаривания рассола поваренной соли с кристаллизацией соли при следующих ис­ходных данных:

Производительность по исходному рас­солу = Я,35 кг/с; концентрация исход­ного рассола Ь„ = 25 %, насыщенного рас­сола =28 %; количество молекул кри­сталлизационной воды Д' = 0; соотношение фаз в выводящей суспензии т=1; тепло­та кристаллизации гк = —85,3 кДж/кг; теплоемкость сухой соли ст =0,88 кДж/(кгХ X К); содержание твердой фазы в циркули­рующей суспензии Эт = 0; теплоемкость рас­

Абсолютное давление греющего пара Рр п = = 0,236 МПа, вторичного пара Рв п = 0,1275 МПа; температура грмощего пара <г п = = 125 СС, вторичного пара <п п = 106 грсюшнх трубок I = 6 м, толщина (/ = 0,031 м.

Результаты материального,

Дгмы в табл. 8.1.

Рис. 8.9. Схема мест опредслс* ния местных гидравлических со­противлений при расчете выпар­ного аппарата С, исходного рассола <а = 100 СС; длина стенки 6СТ = 0,002 внутренний диаметр теплопроводность материала трубки?.ст= 16,3 Вт/(м-К).

Сола <■ =3,314 кДж/(кг-К); плотность су. хой соли рт= 2150 кг/м3; скорость движе­ния рассола по трубкам и>0 = 2,0 м/с;

N

£

1=1

V

V

1=1

+

Ртр. М ----

“>рр

*с, Л (а+ »г) 1п(‘ + т) 2аМг. п2'5г°-&

Здесь Рп — напор, развиваемый

Цпрк ляшюнны. м насосом; Р д =

_ —движущий напор естест-

Пенной циркуляции;

 

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

№ЪГ

 

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов
Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Теплового и конструктивного расчета приве-

 

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Расчетная формула или способ определения

Материальный расист

5.7

1,82

8,0

2240

0.7163

8.3

114,3 25 500

122,8

подпись: 5.7
1,82
8,0
2240
0.7163
8.3
114,3 25 500
122,8

Количество выпаренной воды йпы кг/о

Количество выделившейся соли СГ) кг/с

Тепловой

Температурная депрессия при нор­мальном давлении СС Скрытая теплота парообразования гп кДж/кг

Плотность вторичного пара рв п_ кг/м3

Температурная депрессия при давле­нии вторичного пара 9(, ‘'С Температура кипения рассола /кнп, °С Примятая тепловая нагрузка Вт/м2 Температура пленки конденсата /пл> сС

По формуле (8.4) По формуле (8.5)

Расчет

[65]

[70]

[70]

По формуле (8.6) ^кип = ^в. п “Ь ^

<пл=°.25к. пН-

+ *кнп +

Д^ПЛ = *Г. П —

подпись: + *кнп +
д^пл = *г.п —

4,27

подпись: 4,27Перепад температуры в пленке кон­денсата М, °С

Рг =

Ср. ррир

0,25

Г. п

Пл

^КИП ЯКт [70]

[65]

“і = 2,045 ^7д7 [65]

-6

0,48 10 1160 3310 0,65

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

2718

1876

6923.8

 

Скрыт а т теплота парообразования греющего пара гг п, кДж/кг Постоянный коэффициент В Коэффициент теплоотдачи со стороны пара Оц Вт/(м2 • К)

Физико-химические свойства рассола при Ьи = 28%, /кип = 114,3«С

Кинематическая вязкость чр, ма/с Плотность рр, кг/м3 Теплоемкость Ср, кДж/(кг-К) Теплопроводность рас­сола Хр, Вт/(м-К)

Критерий Рейнольдса Критерий Праидтля

 

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

И> л

 

Особенности теплового, конструктивного и гидромеханического расчетов выпарных аппаратов

Показатель

Расчетная формула

Или способ определения

Результат

Коэффициент теплоотдачи со стороны рассола а2, Вт/(мг-К)

А, = 0,02.3 X X НемРгм

9116,5

Козффшиюнт трплопередачи К,

Ь~.. 1 1 0 1

2653,8

Вк(мг-К)

Ст 1 1 а1 ^ і— П" Т~

А ^2

Ст Л

Гидростатическая депрессия!*г, СС

1.17

По.' зная разность температур Д£п> °С

Ып = ( — < — 9

П Г. П ККГІ “г

9,53

Теилопая нагрузка С}, Вт

По формуле (8.13)

12 733- 10а

Поверхность теплообмена Г, ы*

503

Удельная тепловкя нагрузка Вт/м2

0

Ч-— г

25 314

Г

Отклонение от приня­того значе­ния мень­

Рлсчод греющего пара йг п, кг/с

1.03(3

Г. П -

'Г. П

Ше 5% 4,825

Конструктивный расчет

Г 0 в. гр в. п

Параметр процесса выпаривания а, °С

А== С р ргр

0,418

Отношение сечения трубы пскипания

П = 1,3а~°’2>

1.64

К сечению греющих трубок п

Количество греющих трубок г, шт.

Р

2 = тАІ

920

Лпямсір трубы вскипания (1 в, м

1.3

Днамотр обратной циркуляционной

= <*/?

1,0

Трубы <І0 и, ,г

Скорость пара в сепараторе ц'в м/с

По рис. 8.7

1.0

Диаметр сепаратора Ос, м

3.6

Плотность парорастворной смеси 7 кг/ 'с’

_ 2,За?

Рс - 2»г Х

390

Паросодержанне смеси ©

“о

Шероховатость труб Д, м

?1

Е> = 1-------

0,664 0.2 . Ю-1 175

Продолжение табл. 18.

Показатель

Расчетная формула или способ определения

Рслультат

Коэффициент сопротивления трешгя:

Жидкой фазы?.тр

4 К7?-)1

0.013

Парорастворной смеси?

? >-тр см (1 — о. азз^)1-53

0,045

Высота трубы вскипания 1*к, м

По формуле (8,21)

1,9

Гидродинамический расчет

Коэффициент местных сопротивлений контура циркуляции: выход из трубы вскипания? м сужение потока ;м поворот потока на 140° £м поворот потока на 40° £м вход в узкое сечение ЕМв поворот на 90° ? вход в конфузор? выход из диффузора 5 вход в трубки £ выход из трубок?

Приведенный диаметр трубок с?0, м Площадь пучка трубок /0, м*

По рис. 8.9

А), = с1У~г и = 0,785 ^

0,5

0.07

1.44

0,3

0,4

0,7

0,13

0.4

0.5

1.0

1.03

0,832

Приведенные к скорости движения рассола в трубках коэффициенты мест­ных сопротивлений 6

=>т

Суммарный приведенный коэффициент 10

6.0

Местных сопротивлений У с.'

Коэффициент сопротивления трения:

1

Греющих трубок? чт

0.0325

Обратной циркуляционной трубы

Чр,

) ,Р' _ (21е 3,7Д° Ц)2

0,0137

Конфузора >.тр1

*—

0,0148

Расчетная формчлл 1.пн способ опредс.'н-ипп

Результат

Диффузора >.тр<

0,0418

Трубы вскипания ).т

? тр, = 'см

0.45

Су.|рпиЛ приведенный коэффициент

5

""" Е хтР, 1=1

6,02

Суммарный коэффициент потерь £п

10 5

Е = V е V >

’м. . 2^ тр (_ 1 1 )

12,02

Требуемы» напор насоса Рн, Па

30239,5

Секундный расход насоса Кс, м'7с

Ус = 0,785^-^'г

1,67

Коэффициент полезного действия на-

Пса тн

Принимаем по х.~|;акте - рнстике насоса

0,6

.Мощность элсктродлнгателя насоса

Л'дв. КВ'Г

1,2Г Р Л - с " дв ЮООт),,

101

Теплонспользующие установки промышленных предприятий

Составление математической модели

Математическая модель должна с достато­чной точностью описывать определенные свойства объекта ис­следования. В настоящее время используются следующие ме­тоды получения математических моделей: теоретико-аналитиче­ский, экспериментально-статистический, статистического моде­лирования (Монте-Карло). Применение того или иного метода …

Выбор функцйи цели — критерия оптимизации

Подчеркнем еще раз, что проблема оптимиза­ции возникает в тех случаях, когда необходимо решать компро­миссную задачу улучшения двух и более характеристик, различ­ным образом влияющих на процесс. Поэтому при выборе критериев оптимальности …

МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИХ УСТАНОВОК И АППАРАТОВ

Любая теплоиспользующая установка или систе­ма многовариантна. Выбор наилучшего варианта требует выяв­ления прежде всего критерия или критериев оптимальности, эффективности или функции цели. Параметры, позволяющие реализовать различные варианты, назовем управляющими воз­действиями, или …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.