Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора CuSO4 интервале изменения концентраций от 4 %, до 19 % [6]. Легированные стали с содержанием никеля являются нестойкими в среде растворов CuSO4. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17 (5 балл стойкости). Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности лст=25,1 Вт/(м•К).

3.1.6 Расчет коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

К1=(1/б1+Уд/л+1/б2)-1. (3.8)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки дст/лст и накипи дн/лн

Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Уд/л=дст/лст+дн/лн (3.9)

где дст, дн - толщина стенки, толщина слоя накипи, м.

при дст=0,002 м.

при дн=0,0005 м.

где лст, лн - коэффициент теплопроводности стенки и накипи, Вт/(м•К).

при лст=25,1 Вт/(м*К).

при лн=2 Вт/(м*К).

Уд/л=0,002 /25,1+0,0005/2=2,87 •10-4 м2*К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке б1 равен:

б1=2,04•((r1•сж12•лж13)/(мж1•Н•Дt1))1/4. (3.10)

где r1 - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

рж1, лж1, мж1 - соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность Вт/(м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки:

tпл=tг1-Дt1/2

где Дt1 - разность температур конденсации пара и стенки, °С.

Расчет б1 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Дt1=2 °С. Тогда

tпл=142.9-2/2=141,9°С.

б1=2,04•(2144•103 •10322•0,4083/0,19•10-3•4•2)1/4=6484 Вт/(м2•К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q=б1•Дt1=Дtст/(УДд/л)=б2•Дt2, (3.11)

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/кв.м;Дtcт - перепад температур на стенке, °С;Дt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.

Отсюда:

Дtст=б1•Дt1•(Уд/л)=6484•2•2,87•10-4 =3,72°С.

Тогда

Дt2=Дtп1-Дtст-Дt1=20,08-3,72-2=16,36°С.

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:

б2=А•(q0,6)=780•(q0,6)•(л11,3)•(с10,5)•(сп10,06)/((с10,3)•(у10,5)•(гв10,6)•(с00,66)•(м10,3))(3.12)

По справочной литературе определяем:

л1=0,4159 Вт/(м•К); с1=1068 кг/м3; сп1=1,22 кг/м3; у1=0,067 Н/м; гв1=2200•103 Дж/кг; с0=0,529 кг/м3; с1=4095 Дж/кг•К; м1=0,265•10-3 Па•с

Подставив эти значения, получим:

б2=780•(q0,6)•0,41591,3•10680,5•1,220,06/0,0670,5•(2200•103)0,6•0,5290,66•

40950,3•(0,265•10-3)0,3=7,408•(6484)0,6=1435 Вт/(м2•К)

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q1=б1•Дt1=6484•2=12968 Вт/кв.м

q2=б2•Дt2=1435•16,36=2348 Вт/кв.м

q1?q2

Для второго приближения примем Дt1=5,0 град

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 3,0 град, рассчитаем б1 по соотношению:

б1=6484•(2/5)1/4=5156 Вт/(м2•К)

Получим:

Дtст=5156•5•2,87•10-4=7,4 град;

Дt2=20,08-5-7,4=7,68 град;

б2=7,408*(5156•5)0,6=3285 Вт/(м2•К)

q1=5156•5=25780 Вт/м2

q2=3285•7,68=25229 Вт/м2

q1?q2

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, следовательно, расчет коэффициентов б1 и б2 на этом можно закончить.

Находим К1:

К1=(1/5156+2,87•10-4+1/3285)-1=1271 Вт/(м2•К).

Далее рассчитываем коэффициент передачи для второго корпуса К2.

В первом приближении примем Дt1=4 °С. Тогда:

Дtпл=120. 3-2/2=118.3°С

б1=2,04•(2210•103 •1133•0.4265/4•4•0.335•10-3)1/4=5164 Вт/м2К

Дtст=5164•4•2,87•10-4=5,93°С

Дt2=57,01-4-5,93=47,08°С

б2=780•(q0,6)•0,43661/3•11870,5•0,150,06/0,0960,5•(2350*103)0,6 0,5290,66 •35090,3•(0,851•10-3)0,3 = 4,34(388•4)0,6=1683 Вт/м2•К

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q1=б1•Дt1=5164•4=20656 Вт/м2

q2=б2•Дt2=1683•47,08=79236 Вт/м2

q1?q2

Используя вышеописанный метод приближения, найдем:

Дt1=18.65°С

б1=5164•(4/18,65)1/4=3514 Вт/м2К

Дtст=3514•18,65•2,87•10-4=18,81°С

Дt2=57,01-18,81-18,65=19,55°С

б2=4,34•(3514•18,65)0,6=3368 Вт/м2•К

q1=65536 Вт/м2

q2=65845 Вт/м2

q1?q2

Определим К2:

К2=(1/3514+2,87*10-4+1/3368)-1=1151 Вт/м2•К

3.1.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

, (3.13)

где Дtп j, Qj, Kj - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

Дtп 1=77,09•(6292/1271)/(6292/1271+4080/1151)=44,92 град;

Дtп 2=77,09•(4080/1151)/(6292/1271+4080/1151) =32.17 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

У Дtп=Дtп1 +Дtп2 =44,92+32,17=77,09 °С

Рассчитаем поверхность теплопередачи выпарного аппарата по формуле (3.1):

F1=6292•103/1271•44,92=110,2 м2;

F2=4080•103 /1151•32.17=110,2 м2.

В последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов. Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Дtп представлено в табл. 2:

Таблица 2

Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-ом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры(давления) между корпусами установки. В основе этого перераспределения температур(давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

3.1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-ом корпусе, во втором приближении принимаем такие же значения Д', Д", Д'" для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур(давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены в табл. 3:

Таблица 3

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q1=1,03•[5•4,14•(97,98-96,46)+1,859•(2711-4,19•97,98)]=4438

Q2=1,03[(5-1,859)•3,994•(88,13-96,46)+2,091•(2585-4,19•88,13)]=4665

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м2•К)]:

К1=1223; К2=1089

Распределение полезной разности температур

Дtп 1= 77,09•(4438/1223)/((4438/1223)+(4665/1089))=45,35 град;

Дtп 2= 77,09•(4665/1089)/((4438/1223)+(4665/1089)) =31,73 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

У Дtп=Дtп1 +Дtп2 =45,36+31,73=77,09 °С

Сравнение полезных разностей температур Дtп, полученных во 2-ом и 1-ом приближении, представлено в табл. 4:

Таблица 4

Различие между полезными разностями температур по корпусам в 1-ом и 2-ом приближениях не превышает 5%.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F1=4438000/(1223•45,35)=102,653 м2

F2=4665000/(1089•31,73)=102,655 м2

По ГОСТ 11987 - 81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Таблица 5

3.2 Расчет толщины тепловой изоляции

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

бв=(tст2-tв)=(ли/ди)•(tcт1-tcт2), (3.14)

где бв=9,3+0,058•tст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2•К); tст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха),°С;tст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимаем равной температуре греющего пара tг1 tв - температура изоляции окружающей среды (воздуха),°С; ли - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м•К). Рассчитаем толщину тепловой изоляции: при tcт2=35

бв=9,3+0,058•35=11,33 Вт/(м2*К).

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии+15% асбест), имеющий коэффициент теплопроводности ли=0,09 Вт/(м*К). Тогда при tcт1=142,9 °С, t(возд)=20 °С:

ди=ли•(tст1-tст2)/(бв•(tcт2-tвозд)).

ди=0,09•(142,9-35)/(11,33•(35-20))=0,057 м.

Примем толщину тепловой изоляции 0,055 м и для второго корпуса тоже.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5