Параметры пара в характерных точках
Стр 1 из 2Следующая ⇒ Учебно-методическое пособие Самара Самарский государственный технический университет
К а ф е д р а «Промышленная теплоэнергетика»
И.М. ИВАНОВА
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Утверждено
Самара Самарский государственный технический университет УДК 621.17.001.63 (075.8) И 21
Р е ц е н з е н т: д-р техн. наук, проф. А.А. Кудинов
Иванова И.М. И 21 Проектирование выпарных установок: учеб.-метод. пособ. / И.М. Иванова, Л.Г. Шульц, А.С. Горшенин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. – 36 с.: ил.
Рассмотрены теоретические основы работы выпарных установок. Составлены и проанализированы основные уравнения процессов теплопередачи и теплового баланса корпуса установки. Приведены выражения для расчетов полезного температурного напора, распределения тепловой нагрузки по корпусам установки, поверхности теплообмена корпуса. Дан пример расчета двухкорпусной выпарной установки. Предназначено для курсового и дипломного проектирования для студентов, обучающихся по специальностям «Промышленная теплоэнергетика», «Энергетика теплотехнологий», «Энергообеспечение предприятий».
УДК 621.17.001.63 (075.8) И 21
ã И.М.Иванова, Л.Г.Шульц, А.С.Горшенин, 2009 ã Самарский государственный технический университет, 2009 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК Многие твердые вещества в промышленности первоначально получаются в виде водяных растворов. Для повышения концентрации вещества в растворе или получения вещества в чистом виде необходимо частично или полностью удалить растворитель (воду). Это достигается в выпарных установках.
Процесс выпаривания можно осуществить в любой емкости при подводе к ней тепла, достаточного для организации кипения раствора, при этом будет получаться пар растворителя, отводимый из емкости и возрастать концентрация исходного раствора. За концентрацию раствора принимается отношение массы сухого растворенного вещества к массе всего раствора, выраженное в процентах:
Здесь в – массовая концентрация раствора, %; W – масса растворителя, кг; G сух – масса сухого вещества, кг. Масса сухого вещества при выпаривании не меняется. Выпаривание раствора близко к выпариванию чистого растворителя, но есть некоторые особенности. Температура кипящего раствора больше температуры кипения чистого растворителя на величину физико-химической температурной депрессии. Величина депрессии зависит от концентрации и давления кипящего раствора и определяется по формуле Тищенко И.А.
где D1¢ – физико-химическая температурная депрессия кипящего раствора при атмосферном давлении и фактической концентрации, °С; Т и r – абсолютная температура кипения (К) и скрытая теплота парообразования растворителя при давлении кипения раствора, кДж/кг. Значение депрессии D1¢ приводится в соответствующих справочниках. По принципу действия различают выпарные установки периодического и непрерывного действия. Установки непрерывного действия более экономичные и их применение является наиболее предпочтительным. Установки периодического действия применяются в небольших производствах и когда окончательный (готовый) продукт имеет настолько большую вязкость, что транспортировать его по трубопроводу становится невозможным.
Для отопления корпуса выпарного аппарата могут использоваться разнообразные источники тепла – пар, перегретая вода, высокотемпературные теплоносители, электричество, продукты сгорания. В промышленности в основном применяется пар. Принцип работы паровых выпарных установок следующий. Выпарной корпус установки представляет собой вертикальный теплообменный аппарат. Нижнюю часть объема аппарата заполняет кипящий раствор, а верхняя часть является объемом, в котором происходит сбор и сепарация пара растворителя, выделяющегося из кипящего раствора. В теплообменник выпарного аппарата со стороны греющего теплоносителя направляется пар. Пар через поверхность теплообмена отдает свою теплоту и конденсируется. Раствор получает тепло от пара и кипит. Пары растворителя поднимаются в паровой объем аппарата, сепарируются и отводятся из корпуса. За счет выпаривания растворителя концентрация раствора растет. В корпус вводится свежий раствор, а отводится – концентрированный. Составим тепловой баланс корпуса паровой выпарной установки на 1 кг исходного раствора без учета потерь тепла в окружающую среду: I II III
…………………………………………., где r – скрытая теплота парообразования греющего пара, кДж/кг; d – количество греющего пара на 1 кг исходного раствора, кг/кг; Ср – теплоемкость исходного раствора, кДж/(кг гр.); tк и tр – температуры кипения раствора в корпусе и подводимого раствора, °С; W – количество выпариваемого растворителя (пара вторичного вскипания) на 1 кг исходного раствора, кг/кг. W зависит от изменения концентрации раствора (в %) в корпусе и определяется i вп – энтальпия пара вторичного вскипания, кДж/кг; Св – теплоемкость растворителя (воды), кДж/(кг гр.) Физический смысл уравнения: I – тепло греющего пара, поступающее в выпарной аппарат на 1 кг исходного раствора, кДж/кг; II – тепло, затрачиваемое в аппарате для нагрева 1 кг поступающего раствора от начальной температуры раствора до температуры кипения в выпарном аппарате, кДж/кг; III – тепло, затрачиваемое на выпаривание кипящего растворителя из 1 кг исходного раствора, кДж/кг. Таким образом, тепло, подводимое к корпусу выпарного аппарата на 1 кг раствора, затрачивается на подогревание раствора до температуры кипения раствора в корпусе и выпаривание кипящего растворителя.
Если поделить на r, то получим
Первый член правой части уравнения называется коэффициентом самоиспарения (b) и определяет расход пара на подогревание 1 кг раствора до температуры кипения. Отношение
Если температура поступающего в корпус аппарата раствора больше температуры кипения, то коэффициент b имеет отрицательное значение. В этом случае раствор вносит в выпарной аппарат дополнительное тепло, которое будет использовано на выпаривание раствора и уменьшит расход греющего пара. Как правило, температура раствора, поступающего в корпус, близка к температуре кипения раствора (tк» tр), т.е. b имеет нулевое значение. Значение разницы величин В многокорпусной выпарной установке пар вторичного вскипания, полученный в предыдущем корпусе, является греющим паром последующего корпуса. Работа корпусов взаимосвязана. Для решения задачи необходимо определить расход пара вторичного вскипания, получаемого в каждом корпусе, а также расход греющего пара первого корпуса, т.е. количество неизвестных равно n + 1, где n – число корпусов. Решение задачи требует составления n + l уравнений. Тепловые балансы по каждому из выпарных корпусов позволят получить n балансовых уравнений, и еще одно уравнение может быть получено из материального баланса растворителя по корпусам установки. Тогда
…………………………………………………
Здесь D и W i – часовые расходы острого пара и пара вторичного вскипания по корпусам установки, кг/ч; W – общий расход выпариваемого растворителя установки, кг/ч; h – коэффициент сохранения тепла каждого корпуса установки; h» 0,97 (принимается). Давление в каждом корпусе установки зависит от давления греющего пара и давления в последнем корпусе установки и определяется методом последовательных приближений. Порядок определения давлений в корпусах показан в примере расчета двухкорпусной установки. Решение системы позволяет определить необходимую тепловую мощность греющего теплообменника каждого корпуса, кВт:
Поверхность теплообмена каждого корпуса определяется из уравнения теплопередачи, составленного для корпуса, м2: ………………………… …………………………
Здесь Ki х Dtni – коэффициент теплопередачи и полезный температурный напор каждого корпуса. Коэффициент теплопередачи корпуса определяется по уравнениям, приведенным в примере расчета. Полезный температурный напор каждого корпуса определяется из общего полезного напора всей установки. Порядок определения общего полезного напора установки следующий. Предположим, что мы в каждом корпусе испаряем не раствор, а чистый растворитель (воду). Тогда температура пара над кипящей водой в каждом корпусе равнялась бы температуре кипящей воды, при этом температура греющего пара последующего корпуса равнялась бы температуре пара вторичного вскипания предыдущего корпуса. Полезный температурный напор корпуса – разница температура между греющим паром и кипящим раствором. Тогда для случая выпаривания чистого растворителя получим:
……………….
В нашем случае tr2 = tк1; tr3 = tк2; tri = tкi-1. Если сложить все полезные напоры корпусов, то получим, что их сумма – общий располагаемый полезный напор установки – равна разнице температур греющего пара в первом корпусе и пара вторичного вскипания последнего корпуса: D t¢ побщ. = tr1 – tвпn °С. При кипении действительных растворов наблюдается уменьшение общего полезного температурного напора из-за температурных депрессий, °С:
– физико-химической (D¢); – гидростатической (D²); – гидродинамической (D²¢). Физико-химическая депрессия – уменьшение температуры паров над раствором по сравнению с кипящим раствором (D¢1 = tк – tвп). Гидростатическая депрессия – уменьшение полезного температурного напора из-за повышения средней температуры кипения раствора в корпусе по сравнению с верхними слоями. Гидродинамическая депрессия – уменьшение полезного температурного напора из-за снижения температуры конденсации греющего пара в связи с уменьшения давления пара на величину гидравлических потерь при переходе его из корпуса в корпус. Порядок определения температурных депрессий приведен в примере расчета. Тогда общий полезный напор установки определяется, °С:
Этот полезный температурный напор необходимо распределить между всеми корпусами установки. Распределение определено наложенным условием (требованием к установке). Основным требованием является одинаковая поверхность теплообмена всех корпусов установки, т.е. однотипность корпусов:
{
Если провести почленное деление одного уравнения на другое, то получим следующее: …………………………………. ………………………………….. …………………………………..
Если сложить все полезные напоры, то получим
тогда
После чего возможно определить и все остальные полезные напоры каждого выпарного корпуса установки, найти необходимую поверхность теплообмена и подобрать соответствующий выпарной аппарат. Ниже приводится пример расчета прямоточной выпарной установки, состоящей из двух корпусов, расположенных последовательно как по выпариваемому раствору, так и греющему пару (рис.1). Рис.1. Схема двухкорпусной выпарной установки: 1,2-выпарные корпусы; 3-барометрический конденсатор; 4-вакуум-насос; 5-барометрическая труба; 6,8,11-конденсатоотводчики; 7,9-водоводяные теплообменники; 10-пароводяной теплообменник
ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ Рассчитать и спроектировать двухкорпусную выпарную установку для выпаривания раствора хлористого кальция (СаСl2), если: – расход исходного раствора (Gо), кг/ч – 20000 – начальная концентрация раствора (Хн), % – 10 – конечная концентрация раствора (Хк), % – 50 – давление греющего пара (Р г1), МПа – 0,5 – давление в барометрическом конденсаторе установки (Р бк), МПа – 0,03 – поверхности теплообмена корпусов (F1, F2), м2 – одинаковые – теплоемкость соли СаСl2 (С сух.), кДж/кг гр. – 0,7 – начальная температура исходного раствора (t н), °С – 20 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ УСТАНОВКИ 1. Производительность установки по конечному продукту:
2. Расход выпариваемой воды (общий расход пара вторичного вскипания, получаемого в установке)
3. Расход воды, выпариваемой в 1 корпусе. Предварительно принимаем
4. Концентрация раствора в 1 корпусе. Принимаем, что из-за высокой степени циркуляции раствора в выпарном корпусе концентрация раствора постоянна по корпусу и равна конечной концентрации раствора в корпусе. Тогда
5. Давление греющего пара во втором корпусе принимается как среднее арифметическое давлений Р г1 и Р б.к:
По табл. П1 (см. приложение) определяем температуру насыщения и энтальпию пара в элементах установки по соответствующему давлению пара. Полученные значения величин заносим в табл. 1. Параметры пара в характерных точках Таблица 1
6. Температура кипения раствора по корпусам установки. Температура кипения раствора в предыдущем корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму депрессий – физико-химической (D¢), гидростатической (D²) и гидродинамической (D²¢). 6.1. Гидродинамическая депрессия D²¢– снижение температуры конденсации пара при его движении по паропроводу из-за гидравлических потерь, принимается равной обычно 1°С на каждый корпус. Тогда температура пара вторичного вскипания по корпусам установки определится, °С:
Соответствующие давления и энтальпия пара вторичного вскипания по корпусам установки согласно табл.П1 составят, кДж/кг: t вп1 = 130,30С ® Р вп1 = 0,269 МПа ® I вп1= 2721; t вп2 = 700С ® Р вп2 = 0,031 МПа ® I вп2= 2627. 6.2. Гидростатическая температурная депрессия – это снижение полезного температурного напора в корпусе установки из-за большей температуры кипения растворителя в середине корпуса по сравнению с поверхностными слоями. Повышение температуры кипения обусловлено повышением давления раствора в середине корпуса в связи с дополнительным давлением, создаваемым весом самого раствора. Давление в среднем слое кипящего раствора Рсрi. каждого корпуса определяется по уравнению, МПа:
где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м, Н = 4;
e – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), e=0,5; Р впi – давление пара вторичного вскипания в корпусе, МПа. Тогда
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и скрытые теплоты парообразования растворителя: Р 1 ср. = 0,280, МПа ® t ср.1 =1310С ® r к1 = 2170, кДж/кг; Р 2 ср. = 0,045, МПа ® t ср.2 =790С ® r к2 = 2312, кДж/кг. Гидростатическая температурная депрессия по корпусам установки, °С:
Суммарная величина гидростатической температурной депрессии установки, °С:
6.3. Физико-химическая температурная депрессия – это разница температур между кипящим раствором и паром над раствором: где Т – абсолютная температура кипения растворителя на середине корпуса, К; D¢атм. – физико-химическая температурная депрессия при атмосферном давлении, °С (табл.П3).
Тогда
Суммарная физико-химическая температурная депрессия установки, °С:
6.4. Температуры кипения раствора по корпусам установки, °С:
7. Полезный температурный напор по корпусам установки:
Тогда
7.1. Общий полезный температурный напор установки, °С:
8. Определение тепловых нагрузок по корпусам установки. Расходами воды, выпариваемой по корпусам установки (W 1 и W 2), предварительно задались. Необходимо уточнить эти расходы. Составим систему двух уравнений: Уравнение материального баланса по выпариваемой воде
Уравнение теплового баланса 2 корпуса
где 1,03 – коэффициент, учитывающий потери тепла через ограждения корпуса в окружающую среду; С 1 – теплоемкость раствора при концентрации и температуре исходного раствора, кДж/(кг× гр); С в – теплоемкость растворителя (вода), кДж/(кг× гр), С в =4,19.
Тогда
Решая систему, получим, кг/ч:
Концентрации раствора после первого корпуса, %:
Отклонение в значениях расходов испаренной воды (пара вторичного вскипания) менее 5%, поэтому перерасчет не производится. 8.1. Тепловая нагрузка первого корпуса, кВт:
Здесь C н – теплоемкость раствора при начальной концентрации, кДж/кг× град:
8.2. Тепловая нагрузка второго корпуса, кВт:
9. Расход острого пара, кг/ч.
Сводная таблица результатов расчета Таблица 2
10. Расчет коэффициентов теплопередачи по корпусам установки, Вт/м2К:
где d ст. – толщина стенки теплообменной трубы, d ст. = 0,002 м; lст. – теплопроводность стенки, зависит от материала стенки. Материал выбирается устойчивым к среде эксплуатации, в настоящем случае – углеродистая сталь lст. = 25 Вт/м К; lн2 – теплопроводность накипи, lн2 = 2,5 Вт/м К; dн2 – толщина накипи со стороны кипящего раствора, м; dн=0,0005. Тогда
10.1. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке теплообменной трубы первого корпуса, Вт/м2К:
где rг 1 – теплота конденсации греющего пара первого корпуса, Дж/кг; r1,l1, m 1 – плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/м К), динамическая вязкость (Па с) конденсата при температуре конденсации греющего пара, r1=915; m 1 =0,18х10-3; l=0,684; Но – высота корпуса, м, Но=4. Тогда
где D t 1 – разность между температурами конденсации пара и стенкой теплообменной трубы, °С. Первоначально D t 1 – неизвестная величина, поэтому расчет a1 ведется методом последовательных приближений, задаваясь и проверяя значение D t 1 – разность температур конденсации пара и стенки. В первом приближении принимаем D t 1'= 3°С (количество штрихов соответствует номеру приближения). Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке теплообменной трубы, Вт/м2К:
Определяем тепловой поток от греющего пара к стенке трубы, Вт/м2:
Для установившегося процесса теплообмена (q 1 = соnst) справедливо уравнение
Перепад температур по толщине стенки трубы и накипи, °С.
10.2. Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при естественной циркуляции для первого корпуса, Вт/м2 К:
где l р1 – теплопроводность раствора, Вт/м К, l р1 = 0,687; r р1 – плотность раствора, кг/м3, r р1 = 1142; r вп1 – плотность пара вторичного вскипания, кг/м3, r вп1 = 2,6; s р1 – коэффициент поверхностного натяжения, н/м, s р1 = 74,8 х 10-3; r о1 – плотность пара вторичного вскипания при атмосферном давлении и фактической температуре кипения раствора, кг/м3: Характеристики растворов приведены в приложении. С 1 – теплоемкость раствора, Дж/кг К, С 1 = 3610(см. ранее); m р1 – вязкость раствора, Па с, m 1 = 0,1х10-3; r к1 – скрытая теплота парообразования пара вторичного вскипания при температуре кипения раствора, Дж/кг: r к1 = 2170 х 103 (см. ранее). Тогда
При q 1' = 24690, Вт/м2 К; a 2' = 11,36 х (24690)0,6 = 4910, Вт/м2К. Перепад температур между поверхностью накипи и кипящим раствором, °С:
Общий расчетный перепад температур при первом приближении между паром и раствором (полезная разность температур) первого корпуса, °С:
что меньше t п1 = 19,2 °С. Задаемся новым значениемD t 1'' = 6°С (второе приближение). Тогда
Общий перепад температур, °С:
Третье приближение. Определяем D t 1''' первого корпуса интерполяций, используя данные двух предыдущих приближений, °С:
Находим:
10.3.Коэффициент теплопередачи первого корпуса, Вт/м2К:
10.4. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубы для второго корпуса определяется так же, как и для 1 корпуса:
Принимаем Dt¢1 = 4 (первое приближение). Тогда
Принимаем: Dt²1 = 3 0С (второе приближение);
Третье приближение. Определим D t ’’’1 второго корпуса интерполяцией, используя данные двух предыдущих приближении, °С:
Тогда
11. Распределение полезной разности температур между корпусами выпарной установки:
Так как по условию F1= F2, то
{
Если подставить (1) в (2), то получим
Тогда
Поверхность теплообмена каждого корпуса установки, м2:
Тогда
Выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками (табл. П4): Поверхность, м2 – 160 Диаметр греющей камеры, мм – 1200 Высота труб, мм – 4000 Диаметр труб, мм – 38х2 Диаметр аппарата, мм – 2400 Диаметр циркуляционной трубы, мм – 700 Высота аппарата, мм – 13500 Масса, кг – 12000
12. Расчет барометрического конденсатора Для создания вакуума в выпарных установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой (рис. П5). Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды и основные размеры конденсатора: диаметр корпуса конденсатора, диаметр и высоту барометрической трубы. 12.1. Определим расход охлаждающей воды (из теплового баланса конденсатора):
Здесь t к – температура смеси охлаждающей воды и конденсата на выходе из конденсатора, °С; t к принимается на 3°С меньше температуры конденсатора, °С:
где t н – температура охлаждающей воды на входе в конденсатор, °С; t н = 20 (принимаем). Тогда
12.2. Диаметр корпуса барометрического конденсатора (из уравнения расхода), м:
где Vп – скорость пара м/с; V = 15 ё 25, м/с; rбк – плотность пара при давлении в конденсаторе;
Тогда
По табл.П5 выбираем конденсатор по диаметру его корпуса. Ближайший больший конденсатор имеет диаметр, d б.к = 1000 мм. 12.3. Диаметр барометрической трубы, м:
где r бк – плотность воды при температуре барометрического конденсатора, кг/м3; r бк = 979; V в – рекомендуемая скорость воды, м/с, V в =1,0-3,0. Принимаем Vв =1,0. Тогда
Принимаем dб..тр. =0,2м(dу200). Тогда фактическая скорость движения воды в барометрической трубе составляет, м/с:
12.4. Высоту барометрической трубы определяют по уравнению, м:
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; В = 98100 – Рб.к. = 98100 – 30000 = 68100, Па, где 98100 – барометрическое давление, Па; Sеx – сумма коэффициентов местного сопротивления: Sеx = xвх. + xвых. = 0,5 + 1,0 = 1,5. Коэффициент трения lб.тр зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:
где n – кинематическая вязкость воды при t к; При таком Re:
Тогда
13. Расчет производительности вакуум-насоса Производительность вакуум-насоса G возд. определяется расходом воздуха, который необходимо удалять из барометрического конденсатора, кг/с: Здесь 0,01 – коэффициент, учитывающий присос воздуха из-за не плотности установки; 2,5х 10-5 – коэффициент растворения воздуха в воде, кг/кг. Объемная производительность вакуум-насоса, м3/с:
где r во – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3, r во=1,293; Р бк – д
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|