3.1.4 Уточненный расчет теплообменника

,

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя стенке, Вт/(м²·К);

α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки холодному теплоносителю, Вт/(м²·К);

– сумма термических сопротивлений стенки и отложений, (м²·К)/Вт.

Термическое сопротивление отложений со стороны горячего и холодного теплоносителей [3, c. 531] теплоносителя

(м²·К)/Вт,

где - толщина стенки трубы, = 0,002 м;

- теплопроводность углеродистой стали, = 46,5 Вт/(м·К).

Горячий теплоноситель:

температура конденсации, t₁, 53,7˚С,

удельная теплота конденсации, r₁, 2371,3 кДж/кг [3, c.548],

плотность конденсата, ρ₁, 985,8 кг/м³ [3, c. 512],

теплопроводность конденсата, λ₁, 0,65 Вт/(м·К) [3, c. 561],

динамическая вязкость конденсата, μ₁, 0,55·10^-3 Па·с [3, c. 556].

Холодный теплоноситель (вода):

cредняя температура, t_2ср, 35,2˚С,

плотность, ρ₂, 993,4 кг/м³ [3, c. 512],

вязкость динамическая, μ₂, 0,75·10^-3 Па·с [3, c. 556],

теплопроводность, λ_2, 0,62 Вт/(м·К) [3, c. 561],

критерий Прандтля, Pr_2, 5,0 [3, c. 564].

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от стенки холодному теплоносителю, уточнив скорость и режим ее движения.

Уточняем скорость движения

Определяем режим движения теплоносителя

,

d₂ = d_н - 2·s = 20 - 2·2 = 16 мм = 0,016 м;

.

Так как Re > 10000, то теплоотдача происходит при развитом турбулентном течении в прямых трубах и каналах.

В первом приближении принимаем ;

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя стенке при переходном режиме

,

где ∆t₁ – разница температур горячего теплоносителя и стенки.

α₁ = 7000 Вт/м²∙К;

Проверяем принятый перепад температур ∆t₁, исходя из условия равенства тепловых нагрузок

К · ∆t_ср = α₁ · ∆t₁ = α₂ · ∆t₂

% > 10%

Так как расхождение между принятым и рассчитанным значением превышает 10 %, то пересчитываем α₁

К · ∆t_ср = α₁ · ∆t₁ = α₂ · ∆t₂

% < 10%

Так как расхождение между принятым и рассчитанным значением не превышает 10 %, поэтому расчет α₁ заканчиваем. Вносим поправку в коэффициент теплоотдачи α₂

t_2ст = t_2ср + ∆t₂;

t_2ст = 35,2 + 5?4 = 40,6 ºС;

Pr_ст = 4,5 [1, c. 564];

;

α₂ = 4048,2 · 1,027 = 4157,5 Вт/(м²·К);

;

Определяем необходимую поверхность теплообменника

Принимаем к установке теплообменник [4, с. 52]

• Одноходовой кожухотрубчатый теплообменник,

• размеры труб 20×2 мм,

• F = 643 м²; s_Т = 11,4·10^-2 м²; Н = 9 м; D = 1000 мм, n=1138шт.

3.2 Барометрический конденсатор

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения 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 конденсирующиеся газы.

В выпарных установках используются в основном противоточные барометрические конденсаторы конструкции НИИхиммаш. Барометрический конденсатор выбирается по производительности, приведенной к стандартным условиям [1, c. 634].

,

где G_табл, G_расч – производительность барометрического конденсатора при остаточном давлении р = 0,01 МПа и р ≠ 0,01 МПа (расчетное давление), кг/ч;

ρ_табл, ρ_расч – плотность водяного пара при р = 0,01 МПа и р ≠ 0,01 МПа (расчетное давление), кг/м³.

Расчетное давление р_расч = 0,015 МПа

G_расч = (4,61 · 0,1) · 3600 = 1659,6 кг/ч;

ρ_табл = 0,06686 кг/м³;

ρ_расч = 0,09789 кг/м³[3, c.550];

;

. ;

Принимаем D_к = 600 мм [1, с. 634].

Основные размеры БК [1, с. 635]:

Толщина стенки аппарата, s, 5 мм;

Расстояние от верхней полки до крышки аппарата, a, 1300 мм;

Расстояние от нижней полки до днища аппарата, r, 1200 мм;

Ширина полки, b, - ;

Расстояние между осями конденсатора и ловушкой: К₁, 725 мм;

К₂, - ;

Высота установки, Н, 4550 мм;

Ширина установки, Т, 1400 мм;

Диаметр ловушки, D₁, 400 мм;

Высота, h₁(h), 1400 мм;

Диаметр, D₂, - ;

Высота, h₂, - ;

Расстояние между полками, а₁, 260 мм

а₂, 300 мм

а₃, 360 мм

а₄, 400 мм

а₅, 430 мм

Условные проходы штуцеров:

для входа пара, А, 350 мм

для входа воды, Б, 125 мм

для выхода парогазовой смеси, В, 100 мм

для барометрической трубы, Г, 150 мм

воздушник, С, -

для входа парогазовой смеси, И, 100 мм

для выхода парогазовой смеси, Ж, 70 мм

для барометрической трубы, Е, 50 мм.

Найдем расход воды в барометрическом конденсаторе

;

где W, - соответственно количество и энтальпия вторичного пара, поступающего в барометрический конденсатор из поверхностного конденсатора;

с₀ – теплоемкость воды;

t_н – начальная температура воды;

t_к – конечная температура смеси воды и конденсата (она ниже температуры поступающего вторичного пара на 2...3˚С).

t_н = 20 ºС;

t_к = 51 ºС;

с₀ = 4,19 кДж/(кг·К);

кДж/кг [3, с. 548];

W = 4,61 · 0,1 = 0,461 кг/с;

. ;

Проверим диаметр барометрической трубы

;

ω – скорость воды в барометрической трубе, примем ω = 0,55 м/с [1, c.634];

;

Общая высота барометрической трубы ГОСТом не устанавливается, а определяется расчётом

,

где Н_б.тр – высота барометрической трубы, м;

В – разряжение в конденсаторе, Па;

λ_тр – коэффициент трения;

ξ – коэффициент местного сопротивления;

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

В = p_атм – р_ост = 9,81·10⁴ – 0,15·9,81·10⁴ = 8,34·10⁴ Па;

∑ξ = ξ_входа + ξ_выхода = 0,5 + 1 = 1,5 [3, с. 503].

Найдем коэффициент трения, он зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе

;

;

ε = 0,2 мм;

;

λ_тр = f (Re, ε);

λ_тр = 0,022 [3, с. 22];

;

= 9,06 м.

3.3 Вакуум-насос

Для создания вакуума применяются в основном водокольцевые или струйные компрессоры. Вакуум-насосы подбираются по объему отсасываемого газа и создаваемому вакууму.

Найдем количество воздуха, отсасываемого из барометрического конденсатора смешения

W – количество вторичного пара, поступающего в барометрический конденсатор, кг/с;

G_в – расход воды в барометрическом конденсаторе, кг/с.

$

Объем отсасываемого воздуха

,

где R – универсальная газовая постоянная, R = 8314 Дж/(кмоль·К);

t_возд – температура воздуха, ˚С, t_возд = t_н + 4 + 0,1(t_к - t_н);

р_возд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па, р_возд = p_б.к. – p_п;

p_п – давление сухого насыщенного пара при t_возд, Па

- молекулярная масса воздуха, кг/кмоль

t_возд = t_н + 4 + 0,1 · (t_к – t_н);

t_возд = 20 + 4 + 0,1 · (51 - 20) = 27,1 ºС;

р_возд = р_б.к. - р_п = 0,15 - 0,0369 = 0,1131 кг/см² = 11095 Па;

р_п = 0,0369 кг/см² [3, с. 548]

;

Находим разрежение по зависимости, %

- остаточное давление в конденсаторе смешения, МПа

Подбираем вакуум-насос по каталогу [6, с. 37]

Насос типа ВВН-3. Технические характеристики:

Производительность при 70%-ном вакууме, 3 м³/мин;

Максимальный вакуум, 90 %;

Электродвигатель: тип АО2-51-4;

Мощность, 7,5 кВт;

Напряжение, 220/380 В;

Число оборотов вала в минуту, 1450;

Габаритные размеры агрегата, 1370×1110×855 мм;

Вес агрегата, 418 кг.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Справочник химика [Текст]/ Под ред. Б.П.Никольского. – 2-е изд. – М.; Л.: Химия, 1968. – Т. 5. – 974 с.

2 Кузнецова Л.Н., Селянина Л.И., Третьяков С.И. Расчет выпарных установок [Текст]: Учебное пособие. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2004. – 72 с.

3 Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: Учебное пособие для вузов/ Под ред. чл.- корр. А.Н. России П.Г. Романкова. – 12-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г.- М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.-576 с.

4 Борисов Г.С.,. Быков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст]/ Пособие по проектированию.- СПб.: Издательство С. Петербургского университета. 1994. - 208с.

5 Селянина Л.И., Третьяков С.И, Филиппова C.И. Расчет и подбор теплообменных аппаратов: Методические указания к проектированию процессов и аппаратов химической технологии. – Архангельск: РИО АЛТИ, 1989. – 33 с.

6 Вакуум – насосы: Каталог-справочник. – М.: ЦНТИхимнефтемаш, 1961. - 6с.

45