Расчет и подбор выпарной установки (стр. 3 из 6)

Z₃ = i₃ – c_pt₃ = 2390,9 кДж/кг,

где Со – теплоёмкость исходного раствора (10 % NaCl при температуре кипения t₀ = 101,5 ⁰С): Со=3,65 кДж/кгК (4, стр.59).

По (3, стр.535) находим:

c_k1 = 1,005 ккал/кгК = 4,21 кДж/кгК (при 150,0 ⁰С)

c_k2 = 1,002 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 118,8 ⁰С)

c_k3 = 1,000 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 83,6 ⁰С)

c_p =4,18 кДж/кгК

Т.о., W₁ = X₂E₂/(X₂+c_pY₂) + S_oc₀Y₂/(X₂+c_pY₂)+ +Z₂W₂/(X₂+c_pY₂) = 1,1033 W₂ +2014,7

W₂ = Y₃S₀c0/(X₃+c_pY₃+Z₃) + Z₃W/(X₃+c_pY₃+Z₃)-(c_pY₃+Z₃) * W₁/(X₃+c_pY₃+Z₃) = -0,4870 W₁ +5563,0

Решая систему уравнений, получим:

W₁ = 5303 кг/ч

W₂ = 2980 кг/ч

W₃ = 3717 кг/ч.

3.12. Расчёт окончательных значений тепловых потоков:

Q₁ = S₀c₀(t₁-t₀)+W₁(i₁-c_pt₁) = =20000*3,65*29,9+5303*2172,3=13,7*10⁶ кДж/ч

Q₂=(W₁-E₁)(h₂-c_k2T₂)=(5303-3000)*2186,5=5,05*10⁶ кДж/ч

Q₃=W₂(h₃-c_k3T₃)=2980,4*2 278,1=6,79*10⁶ кДж/ч.

3.13. Оценка погрешности определения.

Для Q₁ : |(Q₁ - Q_1ут)/ Q_1ут|=|(13,3-13,7)/13,7|=2,9%

Q₂ : |(Q₂ - Q_2ут)/ Q_2ут|=| (5,17-5,05)/5,05|= 2,4%

Q₃ : |(Q₃ - Q_3ут)/ Q_3ут|=|(6,95-6,79)/6,79|=2,4%

Погрешность менее 5%, следовательно, считаем, что приближения сошлись.

3.14. Расход греющего пара в первом корпусе.

D₁ = Q₁/(h₁-c_k1T₁) = 13699720/2076,9=6596 кг/ч

3.15. Выбор стандартного выпарного аппарата.

Fраб = F/y,

Где y = 0,75 - коэффициент использования.

Fраб = 100,7/0,75=134,3 м².

Выбор стандартного выпарного аппарата (кафедральный стенд ПАХТа):

¨ Номинальная поверхность теплообмена 160 м²

¨ Действительная поверхность теплообмена при диаметре трубок 38*2 и L = 4000мм: 154 м²

¨ Количество труб 361

¨ Диаметр греющей камеры D1=1000мм

¨ Диаметр сепаратора D2=1400мм

¨ Высота до брызгоотделителя H1=1600мм

¨ Диаметр циркуляционной трубы D3=700мм

¨ Диаметр и высота трубы вскипания D4=700мм и H4=2000мм

¨ Расстояние между осями 1600мм

¨ Расстояние между болтами на опорах B1= 1540мм

¨ Расстояние между болтами на опорах B2=1390мм

¨ Высота аппарата H=10550мм

¨ Избыточное расчётное давление: в греющей камере 3; 6; в сепараторе–0,92; 1; 3;6.

¨ Завод изготовитель УзХимМаш.

3.16. Расчёт тепловой изоляции аппарата.

Тепловая изоляция аппарата применяется для уменьшения потерь тепла в окружающую среду и расхода греющего пара.

Расчёт толщины тепловой изоляции рассматривается при установившемся тепловом потоке q_l=const, где q_l – тепловой поток, отнесённый к единице высоты греющей камеры. При расчёте принимают, что потери в окружающую среду равны не более Q₀ = (0,03-0,05)Q₁.

Тогда q_l = 0,05Q₁/l , где l = 4м – высота кипятильных труб, Q₁ = 13,7*10⁶ кДж/ч = 3,81*10⁶Дж/с.

q_l = 0,05*3,81*10⁶/4 = 4,76*10⁴Дж/(с*м).

Перенос теплоты из межтрубного пространства греющей камеры в окружающую среду – многостадийный процесс.

3.16.1. Теплоперенос при конденсации греющего пара.

В межтрубном пространстве имеет место конденсация греющего пара, поэтому

q_l= a_конд*pD_вн(t_гп -q1) = А(t_гп - q₁)^3/4*pD_вн

a_конд = 2,035А’(r_гп/l)^1/4*(t_гп - q₁)^-1/4;

А = 2,035А’(r_гп/l)^1/4,

А’= (l_конд3r _конд^2/m _конд)^1/4, где l_конд , r _конд^, m _конд – физические параметры конденсата греющего пара, причём А’ – табулирован (8, стр.40), выбираем А’=196 при температуре 150⁰С.

r_гп = 2120 кДж/кг - теплота парообразования греющего пара при температуре 150⁰С.

Т.о., А=10,8*10³

D_вн=1м – внутренний диаметр стенок греющей камеры.

3.16.2. Теплоперенос через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала.

Стационарный теплоперенос теплопроводностью через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала представляется как

q_l= p(q_ -q2)/((1/2l_стln(D_н/D_вн),

q_l= p(q2 -q3)/((1/2l_изln(D_из/D_н),

где q1, q2, q3 - температуры внутренней стенки, стенки между изоляционным материалом и стенкой, наружной поверхности изоляционного материала;

q3 = 40⁰С – выбирается исходя из условий безопасности обслуживания установки.

l_ст, l_из- теплопроводность стенки греющей камеры и изоляционного материала:

l_ст=16,4 Вт/мК

l_из = 0,0098 Вт/мК - теплопроводность для совелита – 85% магнезии и 15% асбеста (8, стр.44).

D_н =1,020 м– наружный диаметр стенок греющей камеры

D_из – наружный диаметр изоляции.

3.16.3. Теплоперенос от наружной поверхности изоляции в окружающую среду.

q_l= aî(q3-t_ср)pD_из

где t_ср = 20,3⁰С - температура окружающей среды,

a_о- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, который слагается из коэффициентов теплоотдачи за счёт естественной конвекции (a_о^,) и за счёт излучения (a_о^,,).

a_о = a_о^, + a_о^,,,

где a_о^,, = с(((273+q3)/100)⁴ – ((273+ t_ср)/100)⁴)/ (q3-t_ср)

с =eС_ч - константа излучения, зависящая от рода материала и состояния поверхности излучения:

e=0,96степень чёрноты поверхности изоляции 8, стр.43);

С_ч =5,7 Вт/м²К⁴ – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела,

с = 0,96*5,7 = 5,5 Вт/м²К⁴

Тогда a_о^,, =5,5(96,0 - 74,0)/19,7 = 6,1 Вт/м²К.

a_о^, = N*((q3-t_ср)/D_из^mⁿ

Найдём произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr:

Критерий Прандля для воздуха в диапазане температур 10-500⁰С при атмосферном давлении остаётся практически постоянным и равным 0,722.

Критерий Грасгофа Gr = gD_из³bDt/n2где b= 1/(273+30,2)=0,0033 – коэффициент объёмного расширения воздуха, n = m/r =0,014*10^-3м²/с  кинематическая вязкости воздуха при температуре 30,2⁰С,m = 0,018*10-3Н*с/м²динамическая вязкость воздуха при температуре 30,2⁰С (9,стр. 107);r =1,2928 кг/м³плотность воздуха при тех же условиях (9, стр.33), l = 4 м.

Для определения величины критерия Грасгофа необходимо располагать значением D_из, который, собственно, является искомым в проводимом расчёте. Однако для рачёта не требуется точного значения произведения Gr*Pr и достаточно лишь располагать порядком этой величины. В связи с этим в выражения для критерия Грасгофа вместо D_из можно подставить значение наружного диаметра корпуса аппарата D_н = 1,020 м.

Тогда критерий Грасгофа Gr = 9,81*(1,020)³*0,0033*(40-20,3)/0,014*10^-3)2=3,4*10¹⁰.

Произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr = 2,4*10⁹.

Т.к. произведение критериев Прандтля и Грасгофа (Gr*Pr)>2*10⁷, то n = 1/3; m=0; N=1,450 (1, стр.20).

Тогда a_о^, = 1,450*(40-20,3)^0,33= 3,9 Вт/м²К.

Следовательно, a_о = a_о^, + a_о^,, = 3,9 + 6,1 = 10 Вт/м²К.

3.16.4. Расчёт толщины изоляции.

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

a_о(q3-t_ср) = (l_из/d _из)(q2 -q3

Причём q2 – температура наружной поверхности аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции _ принимают равной температуре греющего пара 150⁰С.

Тогда d _из = l_из(q2 -q3)/a_о(q3-t_ср) = 0,098*(150-40)/10(40-20,3) = 0,055м = 55мм

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,055м и для других корпусов.

4. Механический расчёт аппаратов выпарных установок.

Механический расчёт выполняется для первого корпуса (корпус, представленный в графической части проекта).

4.1. Греющая камера.

4.1.1. Расчёт толщины стенки греющей камеры.

Корпус греющей камеры выпарного аппарата представляет собой вертикальную обечайку, работающую для первого корпуса выпарной установки под внутренним, избыточным давлением, равном давлению греющего пара р= 0,476 МПа = 4,85 ат.

Номинальная расчётная толщина стенки рассчитывается по формуле:

d_ст’= pD/(2[s]jp)

Допускаемое напряжение [s]=hs, где h =1,0 – поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата (5, стр. 408); s* - нормативное допускаемое напряжение для выбранного материала - сталь марки Х18Н10Т.

s* = 130 МН/м² – номинальное допускаемое напряжение при температуре150⁰С (5, стр. 406).

[s] =hs* = 130 МН/м²

j = 1,0 – коэффициент прочности сварного шва – сварной шов стыковой двухсторонний (8, стр.20).

D = 1000мм – диаметр греющей камеры.

Тогда d_ст’=(0,476*10⁶*1)/(2137*10⁶*1 0,476*10⁶) = 2мм.

Расчётная толщина стенки равна d_ст = d_ст’+ Ск + Сэ + Сд + Со, где Сэ – прибавка на эрозию или другой вид механического воздействия рабочей среды на материал, Сд – дополнительная прибавка по технологическим, монтажным и другим соображениям, величинами Сд и Сэ пренебрегаем.

Ск = 1мм, т.к. проницаемость данного материала не более 0,1 мм/год (5, стр. 409).

Со = 1 - прибавка на округление размера.

Тогда d_ст=2+1 = 3мм.

Таким образом, толщина стенки должна быть не менее 3мм, принимаем d_ст = 10мм (8, стр. 21).

4.1.2. Расположение труб в греющей камере.

При размещении кипятильных труб стремятся к равномерному их распределению по сечению греющей камеры. Трубы расположены в шахматном порядке – по сторонам равносторонних шестиугольников.