Расчет установки для выпаривания водного раствора нитрата кальция (стр. 4 из 6)

Ориентировочную поверхность теплопередачи F_о, м² определяют следующим образом:

(3)

где Q_о– приблизительный расход тепла на выпаривание, Вт;

q_о – приблизительное значение относительной тепловой нагрузки, Вт/ м²;

q_о = (2…5) 10⁴ Вт/ м² для аппаратов с естественной циркуляцией.

Принимаем q_n= 3×10⁴ Вт/ м².

Определяем приблизительный расход на выпаривание:

, (4)

где r_бк – удельная теплота парообразования вторичного пара при давлении в барометрическом конденсаторе, равном по условию Р_бк = 30000 Па;

r_бк = 2336000 Дж/кг; [7]

с_н – теплоемкость исходного раствора, Дж/( кг×К);

с_н =3693 Дж/( кг×К); [7]

t_бк – температура вторичного пара в конденсаторе, К, при Р_бк = 30000 Па t_бк = 68,7

; [7]

t_н – температура исходного раствора, Дж/( кг×К);

t_н = 298 К = 25

( по условию)

Q_о = 3×2336000+4×3693×(68,7 – 25) = 7653500 Вт,

F_о =

= 255 м².

Поверхность теплопередачи берем с запасом до величины F, так как не учитывались потери тепла и температура кипения раствора больше за t_бк, а действительный расход тепла больше за Q_о. Следовательно, F_о принимаем равной 315 м².

2.1.3 Расчет температуры кипения

Температуру кипения t_к , К определяем следующим образом:

t_к =t_бк+∆'+∆''+∆''' (5)

где ∆' -физико-химическая депрессия, К;

∆''- гидростатическая депрессия, К;

∆'''- гидравлическая депрессия, К.

Величину ∆''' принимаем равной 1,5 К, а величина ∆'' для выпарных аппаратов с вынесенной зоной кипения с естественной циркуляцией не рассчитывается.

Находим величину температуры вторичного пара t_w , К в выпарном аппарате:

t_w = t_бк +∆''' (6)

t_w=68,7 + 1,5 = 70,2

По величине t_w определяем давление в выпарном аппарате над кипящим раствором P_w= 31770 Па

Физико-химическую депрессию рассчитываем по формуле Тищенко:

, (7)

где ∆'_атм – температурная депрессия при атмосферном давлении, К;

t = t_W для аппаратов с вынесенной зоной кипения, К;

r_w –относительная теплота парообразования при температуре t,К, Дж/кг;

r_w= 2333000 Дж/кг;

а) для упаренного раствора

∆'_атм =1,38 [6]

Определяем t_н:

t_н = 68,7 + 1,1 + 1,5 = 71,3

для исходного раствора определяем следующим образом:

∆'_атм= 9,32 [6]

Определяем t_к:

t_к = 341,7 + 1,5 + 7,6 = 350,8 К

2.1.4 Определение полезной разности температур ∆ tпол , К

Температуру греющего пара t_г.п. , К принимаем t_г.п. = 383,7 К

Давление греющего пара Р_г.п., Па выбираем исходя из температуры греющего пара: Р_г.п. = 0,15 МПа

Массовый расход циркулирующего раствора определяем по формуле:

,

где (8)

w – скорость раствора в трубах, м/с,

w=0,7 м/с; [6]

– плотность выпаренного раствора;

= 1415 кг/м³; [2]

F – поверхность выбранного выпарного аппарата,

F = 315м²; [6]

d – внутренний диаметр труб, м,

d = 0,038 м; [6]

H – высота труб,

H = 4 м; [6]

кг/c

Температуру перегрева раствора вычисляем по формуле:

, где (9)

i_w – относительная энтальпия вторичного пара при t_w, Дж/кг;

i_w = 2626300 Дж/кг; [7]

c_в – теплоемкость воды, Дж/(кг×К);

c_в = 4190 Дж/(кг×К); [7]

,

, (10)

2.1.5 Расчет расхода тепла на выпаривание

Определяем расход тепла на выпаривание Q, Вт:

Q = 1.05×( G_нс_н(t_к– t_н ) + W×( i_w – c_в×t_к )) (11)

Q = 1,05×( 4×3693×( 77,8 – 71,3 ) + 3×( 2626300 – 4190×77,8 ) =7346800 Вт

Определяем расход греющего пара G_г.п. , кг/с:

G_г.п. = Q / r_г.п.×j, (12)

где r_г.п. – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

r_г.п. = 2220000 Дж/кг ; [7]

j - степень сухости греющего пара; j = 0,95

G_г.п. =

= 3,48 кг/c.

Рассчитываем относительный расход греющего пара d , кг/кг:

d =

(13)

d =

= 1,16 кг/кг

2.1.6 Определение коэффициента теплопередачи К, Вт/(м2·К)

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К) рассчитываем по формуле:

, (14)

где α₁-коэффициент теплоотдачи от греющего пара , Вт/(м²·К),

α₂-коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору, Вт/(м²·К),

∑

-суммарное термическое сопротивление стенки трубы и загрязнений на ней, (м²·К)/Вт.

Для определения ∑

выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора Са(NO3) 2 в интервале изменения концентраций от 12 до 48%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее менее 0.1 мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст = 25,1 Вт/(м·К). Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δ_ст/λ_ст и накипи δ_н/λ_н. Термическое сопротивление со стороны пара не учитываем.

Получим:

, (15)

∑

= =3,297 · 10^-4 (м²·К)/Вт;

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи α₁:

, (16)

где r₁-теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

ρ_ж1 - плотность конденсата при средней температуре пленки,кг/м³;

l_ж1 - теплопроводность конденсата при средней температуре плеки,Вт/(м·К);

m_ж1 - вязкость конденсата при средней температуре пленки,Па×с;

Средняя температура пленки:

α₁ рассчитываем методом последовательных приближений. В первом приближении примем ×_∆t₁=6 град. Тогда:

; [2]

; [2]

; [2]

; [7]

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q= α₁×_∆t₁ =×_∆t_ст/(∑r_сум)= α₂×_∆t₂ , (17)

где q- удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

_∆t_ст- перепад температуры на стенке, град;

_∆t₂- разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда:

_∆t_ст = α₁×_∆t₁×∑r_сум = 4575× 6 × 3,297 × 10^-4 = 9 град.

Тогда:

_∆t₂=_∆t_пол - ∆t_ст - _∆t₁ = 31 – 9 – 6 = 16 град;

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору рассчитываем по формуле:

, (18)

где Nu – критерий Нуссельта:

, (19)

где Re – критерий Рейнольдса:

; (20)

Pr – критерий Прандтля:

, (21)

где l-теплопроводность раствора, Вт/(м×К);

l = 0,5939 Вт/(м×К); [2]

r- плотность раствора, кг/м³;