Чура - учебное пособие

либо графическим либо аналитическим методом. Наиболее простым является графическое решение. Учитывая, что конечные температуры теплоносителей являются неизвестными, а они зависят от величины Q1 , задаемся тремя значениями температур

t1 (в пределах рекомендованной t1 = 6..10 °C). После вычисления значений Q1 определяем величины, входящие в уравнение (2) при тех же t1 . Определив Q1 наносим найденные величины Q1 и Q1 при соответствующих t1 на график (рис 2). Расчетные значения тепловой нагрузки испарителя Q1P и конечной температуры греющей воды t1 P определяется точкой пересечения графических зависимостей Q1 и Q1 Ниже приводится последовательность расчета.

			1 - Q1		f (t1) 2 - Q1				f (t1)
			Рис. 2. Определение расчетных значений QP							и t P .
								1		1
1. Тепловая нагрузка испарителя, кДж/ч - по уравнению теплового баланса (3
значения)
			Q1	Wгр гр сгр (t1				t1) .
2. Величина нагрева охлаждающей воды в конденсаторе, ºС, - по уравнению
теплового баланса конденсатора (3 значения)
				tзв		Qк			,
					Wохл зв
							cзв
где Qк - тепловая нагрузка конденсатора, кДж/ч, Qк										Q1
	Wохл - расход охлаждающей забортной воды, прокачиваемой через
			конденсатор, м3/ч. Величина W				определяется подачей насоса
						охл
			забортной воды и может быть принята равной 90...100 м3 /ч /4/;
зв	, c	зв	- плотность, кг/м3, и теплоемкость, кДж/(кг∙град), охлаждающей воды в

конденсаторе при заданной температуре t3B (табл. П-3).

3. Температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора, °С (3 значения)

11

tзв tзв tзв

При определении параметров кипящей в испарителе забортной воды (рассола) следует учитывать влияние растворенных солей, что приводит к повышению ее температуры насыщения.

4. Солесодержание рассола, S р ,г/л.

Литературные данные /1,5/ и параметры спецификационного режима эксплуатации ВОУ Д5У /4/ показывают, что испаряется лишь четвертая часть забортной воды, поступающей в установку. Таким образом, отношение расхода

продуваемой	воды	(удаляемого	рассола		Wр )		к расходу	испаряемой		воды
(производительности установки W2 ) можно принять равным трем. Эта величина
называется коэффициентом продувания				Wр	W2		3.
Из уравнения баланса солей в испарителе
		W2 (S0	Sд ) Wр (S р				S0 )
где S0 , Sд , S р - солесодержание (по					NaCl)		забортной	воды,	дистиллята и
		рассола, г/л;
Пренебрегая величиной Sд ,			которая на четыре порядка ниже S0						и S р	может
быть найдена величина S р :
			S р	S0 (1	)
		величина S0
При	этом		определяется районом плавания.						В расчетах

принимается S0 =25...35 г/л.

Если же учитывать солесодержание дистиллята – основной качественный показатель работы установки, можно получить зависимость производительности ВОУ от этого показателя

W	Wр (S	р	S0 )
				,
2	S0		Sд

5. Температурная депрессия, ºС – поправка, учитывающая повышение температуры кипения рассола по отношению к температуре насыщения вторичного пара. Она может быть определена по формуле /1/

t		S р
	р	80

6. Поправка, учитывающая среднее гидростатическое давление, Pг кПа, при определении средней температуры кипящего рассола ( по высоте его слоя) /1/

	Рг	0,5 g x lИ р
		1000

где g – физическая константа; 9,81 м/с2 ;

12

x– приведенный уровень (расчетная высота) кипящего рассола, принимается равной 0,5;

lИ – длина испарительных труб, м (см.табл.2);

р – плотность рассола, кг/м3; может быть принята равной плотности

забортной воды	зв	= 1015...1025 кг/м3.

7. Среднее расчетное давление кипящего рассола с учетом величины Pг , кПа.

Pр P2 Pг

8. Разность температур, учитывающая гидростатический эффект, ºС.

tг tн t2

где tн – температура насыщения, °С, соответствующая давлению Pр ; определяется по /6/, либо табл.П-1.

9. Средняя расчетная температура кипящего рассола, °С.

tр t2 tр tг

10. Средняя скорость греющей воды в межтрубном пространстве испарителя, м/с; определяется по уравнению неразрывности (сплошности) потока

Wгр

гр 3600 Fc

где Wгр – расход греющей воды на установку, м3/ч, по данным /4/ составляет

70...135 м/ч;

Fc – площадь живого сечения для прохода греющей воды, м2 . Поскольку

размеры этого сечения ограничены горизонтальными перегородками, делящими межтрубное пространство испарителя на шесть ходов (т.е. высота сечения hc lИ 6 ) и самими трубами, число которых в

каждом ряду различно (рис. З), то и суммарная ширина сечений по ходу греющей воды будет неодинаковой. В расчете используется осредненное значение суммарной ширины сечения по рядам труб в виде

	bср	b1 b2 b3 ... b40
		40

где b1 , b2 … b40 – суммарная ширина проходного сечения для каждого из сорока рядов труб испарителя, м.

Таким образом,

F	h	b	1,54∙10-2 м2
c	c	ср
			13

Рис.3 Схема расположения труб испарителя

Следует учесть, что при расчете величины hc используется значение полезной длины труб испарителя, т.е lИ уменьшенной на толщину трубных досок.

11. Критерий Рейнольдса для потока греющей воды, определяющий режим ее движения

Re гр dн ,

где ν – кинематическая вязкость греющей воды, м2/с, при t1ср . Значения ν приведены в табл. П-2.

Примечание: в данном случае условиями корректности использования критериальной зависимости, в качестве характерного линейного размера используется величина dн испарителя.

12.Критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность процесса теплоотдачи от греющей воды к трубам испарителя. При поперечном обтекании пучка труб, расположенных в шахматном порядке, для турбулентного потока /7/

					Prж	0,25
Nu 0, 4 Re	0,6	Pr		0,36		,
					Prст
где Pr – критерий Прандтля, характеризующий физические параметры
теплоносителя; см.табл.П-2.
При этом может быть принято	Prж			1 в силу незначительной разности

Prст

температур жидкости и стенки трубы.

14

13. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к трубам испарителя, Вт/(м2

град).

			Nu	гр	,
		1	dн
где	гр	– теплопроводность греющей		воды, Вт/(м-град), при ее средней

температуре; см. табл.П-2.

14. Средняя температура стенки труб греющей батареи испарителя, ºС.

tст 0,5 (t1ср tр ) ,

15. Средняя разность температур стенки труб и кипящего рассола, °С.

tИ tст tр ,

16. Коэффициент теплоотдачи от труб к кипящему рассолу, Вт/(м2град)/5/

2	25,5 (0,01 P )0,58	t2,33	,
	р	И

где Pр – среднее расчетное давление кипящего рассола, кПа.

17. Коэффициент теплопередачи от греющей воды к рассолу, Вт/(м2 град)

KИ					1					,
		1
				ст		н	1
		1		ст		н	2

где ст ,

ст ,

н – толщина стенки трубы и накипи, м;

при этом ст 0,5 (dн dвн ) , см. табл. 2;

н – коэффициенты теплопроводности материала стенки трубы и накипи, Вт/(м град). Для медно-никелевого сплава (мельхиор) ст = 26...30

Вт/(м∙град) /7/. Качественный состав накипи, образующейся при испарении морской воды в значительной степени определяется температурой кипения рассола. Для значений температур 30..50 ºС (глубоковакуумные ВОУ) характерен карбонатный (СаСО3) состав накипи и ее рыхлая структура; рекомендуемые /3,5/ значения

н=0,6... 1,0 Вт/(м∙град).

18.Температурный напор в греющей батарее испарителя, °С – определяется как среднелогарифмическая разность температур теплоносителей

t		(t1	tзв ) (t			t р )
							,
	И			(t1	tзв )
		ln
				(t	t р )
			15

Здесь значения температур охлаждающей (забортной) воды принимаются по п.2 (стр. 9).

19. Тепловая нагрузка испарителя, кДж/ч, – по уравнению теплопередачи

Q1

3,6

KИ

FИ tИ ,

где F

– поверхность испарителя, м2. (см.табл.2)

И

20. Расчетные значения температуры греющей воды на выходе из испарителя

t р , °С,

и

тепловой

нагрузки испарителя

Q р

кДж/ч, определяются графическим

1

1

способом (см. рис.2).

21. Уточненное (расчетное) значение величины нагрева охлаждающей воды в

конденсаторе, °С

t

р

Qкр

,

зв

(Wохл

сзв )

зв

где

Q р

– расчетная

величина

тепловой нагрузки конденсатора кДж/ч:

к

Q р

Q р

(см. п.3.2,стр. 10)

к

1

22. Оценка производительности ВОУ по количеству испаряемой воды W2 , м3/ч может быть произведена по уравнению теплового баланса испарителя

Q1 Q2 Q3 ,

где Q2 – количество тепла, затраченного на подогрев питательной воды (включая рассол) до температуры кипения, кДж/ч

	Q2 W1	пв спв (tр tпв ) ,
где W	– расход питательной воды на установку м3/ч;
1
пв , спв	– параметры питательной воды при ее температуре tпв tзв		tзвр ,
	значения их приведены в табл.П-3;
Q3	– количество тепла для испарения питательной воды, кДж/ч
	Q3	W2 пв r2 .

С учетом уравнения материального баланса по питательной воде в испарителе

W1 W2 Wр ,

	а также отношения	Wр	, что дает	W1	(1 ) W2 , после преобразований
		W2

получим

16

Q р

W2

1

,

) спв (tр

пв

(1

tпв ) r2

Примечание.

Значения температуры рассола t р и теплоты парообразования

вторичного пара r2

определяются из предыдущего расчета, зная расчетное охлаждение

греющей воды в испарителе t р

t

t

р

методом интерполяции.

гр

1

1

23. Скорость охлаждающей воды в трубах конденсатора, м/с

4 Wохл

fк

,

зв

3600

d 2

z

вн

к

где fк

– число ходов конденсатора по охлаждающей воде;

для ВОУ типа ДУ fк = 2;

dвн , zк

– внутренний диаметр труб конденсатора, м, и их количество (см. табл. 2).

24. Коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м2 град) /5/

tср

К

к

923

v

4

17,8 ,

зв

зв

где

t

ср

t

зв

0,5

t

р .

зв

зв

25. Расчетный температурный напор в конденсаторе, ºС

р

(t1срр

tзвср )

tк

,

1

Кк

КИ

где tсрр

– средняя расчетная температура греющей воды, ºС;

1

tсрр

0,5

(t

t р ) ,

1

1

1

КИ – коэффициент теплопередачи испарителя, определяется интерполяцией его значений, полученных в п. 17 в зависимости от величины

t	гр	t	t	р .
		1	1

26. Расчетные параметры вторичного пара в испарителе

– температура, °С

t р	t		tзвр	t р	,
		зв
2			2	к

– давление, Р2р , кПа – определяется по табл. /6/ при t2р .

17

27. Разность температур греющей воды и вторичного пара, ºС

t t1срр t2р .

28. Расчетные параметры вторичного пара и дистиллята в конденсаторе

– давление вторичного пара, кПа
	Р	Р р	р	,
	к	2
где	р – паровое сопротивление жалюзийного сепаратора и трубного пучка
	конденсатора, кПа;
	р = 0,15... 0,2 кПа /5/.
–	температура дистиллята tg , ºС			определяется по	/6/,
–	энтальпия дистиллята h , кДж/кг			} либо табл. П-1 при	Рк
–	энтальпия вторичного пара h , кДж/кг
–	плотность дистиллята g , кг/м3 – по табл. П-2 при tg

29. Кратность охлаждения (кратность циркуляции) конденсатора – отношение расхода охлаждающей воды к расходу конденсируемого пара

МWохл .

W2

30.Удельная тепловая нагрузка конденсатора, кДж/(м2 ч),

qт Qкр ,

Fк

где Fк – поверхность конденсатора, м2 (табл.2).

31. Удельная паровая нагрузка конденсатора, кг/(м2 ч),

q	W	g	.
п	2	F
		к

32. Нагрев охлаждающей воды в конденсаторе, °С, по уравнению теплового баланса конденсатора

t		W2	g (h	h )
	зв				.
		Wохл
			зв	сзв

После этого, с учетом величины tзв , производится уточнение параметров

вторичного пара (раздел 3.1, п.2 и далее). При этом для величины температурного напора в конденсаторе и других параметров, зависящих от температуры греющей воды, принимаются также три значения t1 в пределах рекомендованной tгр . Целью

является уточненный расчет производительности ВОУ, а также кратности охлаждения и удельных тепловой и паровой нагрузок конденсатора. Последовательность расчета

18

сохраняется, но рассчитываются только параметры, зависящие от нагрева охлаждающей воды.

3.3. Расчет производительности установки при варьировании значений параметров

Расчет производится с целью определения и последующего анализа основных показателей работы ВОУ при изменении значений одного из заданных параметров, что характерно для ее эксплуатации. При этом методика и последовательность расчета сохраняются; расчет ведется параллельно для каждого из заданных значений варьируемого параметра, поэтому целесообразно выполнять его в табличной форме (см. приложение 2).

3.4. Определение удельных энергозатрат на выработку дистиллята

Цель данного расчета состоит в определении затрат электроэнергии, необходимой для привода насосов, обслуживающих ВОУ: забортной воды и дистиллятного. Для этого определяются значения давлений во всасывающем и нагнетательном патрубках насосов в соответствии с условиями их расположения и режимами работы. Найденные значения энергетических параметров насосов (напора, подачи, мощности) сравниваются со спецификационными параметрами штатных судовых насосов, приводятся выводы. Расчет выполняется только для фиксированных значений основных заданных параметров ВОУ.

Насос забортной воды.

1. Давление на всасывании, кПа.

Следует учесть, что насосы забортной воды, как правило, расположены на нижнем настиле машинного отделения и работают с подпором. При этом давление на всасывании Рвс определяется величиной подпора (геометрической высотой

всасывания hвс ) и зависит от осадки судна. Для транспортных судов может быть принято hвс = 4...10 м.

2. Давление на нагнетании, кПа.

Давление на нагнетании зависит от типа используемого насоса и его подпора; может быть определено по показаниям манометра на нагнетательном патрубке насоса, либо оценено по его номинальным (паспортным) параметрам. Для НЦВ 100/30 величинами Рн составляет 3,0...3,5 кг/см2 (294...343 кПа).

3. Напор насоса, м

				(Р	Р ) 103
H зв				н		вс			.
					зв g
4. Подача насоса, м3/с
	Q		1, 2			Wохл		.
	зв				3600
5. Мощность насоса, кВт
N			g зв			Qзв	Нзв			,
	зв
			(1000				м )
			19

где м – механический КПД насоса, м = 0,85...0,95. 6. Мощность приводного электродвигателя, кВт

N		Nзв	,
	э1
		эд
где эд – КПД электродвигателя,	эд = 0,85...0,90.
Дистиллятный насос.

1.Давление на всасывании, кПа В разделе 2 описаны технические решения, позволяющие использовать для

откачки готового дистиллята (в условиях глубокого вакуума) насосы центробежного типа. Таким образом, значение Рвс дистиллятного насоса в основном определяется

величиной вакуума в паровой полости конденсатора и может быть принято по показаниям вакуумметра (в кг/см2), либо оценено величиной

Рвс 101,3 Рк (3...5), кПа

где Рк – абсолютное давление в конденсаторе, кПа, (см.раздел 3.2,п.28)

2.Давление на нагнетании, кПа.

Оценивается по манометру на выходе из насоса и имеет значение 2,5...3,0 кг/см2 для штатного насоса типа НЦКГ 4/40.

Величины напора Нд , подачи Qд и мощности дистиллятного насоса Nд и электродвигателя Nэ2 определяются аналогично соответствующим параметрам насоса забортной воды. Следует учесть, что в расчете величина Рвс (в кПа) будет иметь знак

"минус" (вакуум). Кроме того, в условиях периодичности работы дистиллятного насоса (с учетом времени накопления дистиллята), а также возможности его работы в режиме рециркуляции (при повышенном солесодержании готового продукта) номинальное значение Qд должно в 3,5...4,0 раза превышать расчетную

производительность ВОУ W2 , являющуюся осредненной величиной. Т.е.

Qд (3,5...4) W2 , м3/с 3600

После этого определяется расход электроэнергии на выработку 1 м3 дистиллята, кВт ч/м3

qэ (Nэ1W2Nэ2 ) ,

являющийся основной статьей энергозатрат СЭУ для работы утилизационных вакуумных ВОУ.

4. АНАЛИЗ РАСЧЕТНОГО РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОУ.

По результатам выполненного поверочного расчета ВОУ производится построение графика температурного режима установки (рис.4). Для параметров, изменявшихся в ходе расчета (согласно заданию на курсовой проект), приводятся

20