3. Расчет вспомогательного оборудования

3.1.Расчет барометрического конденсатора.

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смещения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду. Которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды. Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе.

Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

3.1.1. Расход охлаждающей воды.

Расход охлаждающей воды G_В определяют из теплового баланса конденсатора:

G_В = w₃ *( I_БК. – с_Вt_К)/С_В (t_К – t_Н),

где I_БК - энтальпия паров в барометрическом конденсате, Дж/кг;

t_Н - начальная температура охлаждающей воды, ⁰С;

t_К - конечная температура смеси воды и конденсата, ⁰С;

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 – 5 град. Поэтому конечную температуру воды t_k на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

t_К = t_БК – 3,0 = 55 – 3,0 = 52 ⁰С.

Тогда :

G_в = 0,55*(2602*10³ – 4,19*10³·52) = 6,95 кг/с.

4,19*10³*(52-7)

3.1.2. Диаметр конденсатора.

Диаметр барометрического конденсатора d_БК определяют из уравнения расхода:

D_БК = √4w₃/(ρπv) ,

где ρ - плотность паров, кг/м³;

v - скорость паров, м/c.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров v = 15 – 25 м/c. Примем v = 20 м/с.

Тогда : d_БК=√4*0,55 /(0,1092*3,14*20) = 0,57 м

Выбираем барометрический конденсатор диаметром 600 мм (Приложение 2 «Основные размеры барометрических конденсаторов» [1, с. 33]).

3.1.3. Высота барометрической трубы.

Внутренний диаметр барометрической трубы d_БТ = 300 мм.

Скорость воды в барометрической трубе:

v_В = 4(G_В + w₃) = 4 (6,95 + 0,55) = 1,1 м/c.

ρπd_бт² 1000·3,14·0,3²

Высота барометрической трубы:

Н_БТ = В/ρ_вg +( Σξ+ λ·Н_БТ/d_БТ)· v _в²/2g+0,5

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

∑ξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

Λ - коэффициент трения в барометрической трубке;

0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

В = Р_атм – Р_бк = 11*10⁴ – 1,575*10⁴ = 9,425*10⁴ Па

∑ξ = ξ_вх + ξ_вых = 0,5 + 1,0 = 1,5

где ξ_вх,ξ_вых – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Re = v _В·d_БТ·ρ_В/μ_В= (1,1*0,3*1000)/(0,54*10^-3)= 61 111,1

Для гладких труб коэффициент трения равен:

λ = 0,316/ Re^0,25 = 0,316/61 111,1^0,25 = 0,02.

Тогда:

Н_БТ =(9,425*10⁴/1000·9,8) + (2,5+0,02*Н_БТ/0,3)*1,1² /2*9,8+0,5

Откуда Н_БТ = 10,7 м.

3.1.4. Расчет производительности вакуум-насоса.

Производительность вакуум-насоса G_Возд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

G_Возд = 2,5·10^-5(w₃ + G_В) + 0,01w₃,

где 2,5·10^-5 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через

плотности, на 1 кг паров. Тогда

G_Возд = 2,5·10^-5*(0,55 + 6,95) + 0,01*0,55 = 568,75·10^-5 кг/c.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

V_Возд = R*(273 + t_Возд)*G_Возд/(M_Возд*P_Возд),

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К);

М_Возд- молекулярная масса воздуха, кг/ кмоль;

t_Возд – температура воздуха, ⁰С;

Р_Возд- парциальное давление сухого воздуха в барометрическом

конденсаторе, Па.

Температура воздуха рассчитывается по уравнению:

t_Возд = t_Н + 4 + 0,1*(t_К– t_Н) = 7 + 4 + 0,1*(52 – 7) = 15,5 ⁰С

Давление воздуха равно:

Р_Возд = Р_БК – Р_П,

где Р_П - давление сухого насыщенного пара, Р_П = 1,71 кПа (при t_Возд = 15,5 ⁰С);

Р_Возд = 15,75*9,81·10³ – 1,71*9,81*10³ = 14,04*10³ Па

Тогда:

V_возд = 8310*(273 + 15,5)*5,69·10^-3/(29*14,04·10³ ) = 0,0335 м³/с = 2 м³/мин.

Зная объемную производительность и остаточное давление, по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН 3 мощностью N = 6,5 кВт (Приложение 4 «Технические характеристики вакуум-насосов типа ВВН» [1, с.35]).