Тепловий баланс

Метою теплового балансу є визначення кількості тепла, що передається в нагріваючій камері Q і кількості теплоносія (гріючої пари) для здійснення процесу.

Тепловий баланс складаємо, як рівність тепла, що поступає на процес випаровування і кількість тепла, що виводиться після процесу.

Приймаємо наступні позначення:

D – кількість гріючої пари, і конденсату після процесу [кг/с],

I_гр – ентальпія гріючої пари, і_к=С_вt_конд – ентальпія конденсату [Дж/кг],

І_вт – ентальпія вторинної пари [Дж/кг],

і_п ,і_к – ентальпія початкового та концентрованого розчину [Дж/кг],

G_п, G_к, W – витрата початкового та кінцевого розчину і вторинної пари,

Q_вт – втрати тепла в оточуюче середовище, приймають 3÷5% від корисно використаного тепла. Втрати можна регулювати вибираючи товщину шару ізоляції, яким покривають випарні апарати.

В процесі іноді необхідно враховувати теплоту концентрування розчину Q_конц, яка чисельно дорівнює теплоті розчинення, але з протилежним знаком.

Тепловий баланс

тоді кількість тепла, яку необхідно передати для процесу випарювання Q

(5)

Виконаємо деякі перетворення і спрощення :

, ,

;

(питома теплота конденсації)

(6)

тоді враховуючи рівняння (6), рівняння (5) приймає вираз

(7)

Таким чином, аналізуючи рівняння (7) приходимо до висновку, що тепло Q витрачається на

1) нагрівання початкового розчину від t_п до t_к;

2) пароутворення вторинної пари W при температурі t_к = t_кип ;

3) компенсацію втрат тепла в оточуюче середовище;

4) компенсацію тепла концентрування.

Складові і (тобто несуттєві в порівнянні 1 і 2).

Для проведення процесу випарювання традиційно розчин попередньо нагрівають в теплообміннику до температури кипіння, тобто .

Тоді рівняння (7) спрощується і приймає вигляд

враховуючи, що теплоти випаровування і конденсації однакові і залежать тільки від тиску і температури отримаємо і як висновок ,

тобто на випаровування 1 кг вторинної пари у випарному апараті необхідно затратити 1 кг гріючої пари.

Для економії гріючої пари можна використати багатокорпусні випарні установки, де тепло від вторинної пари попереднього корпусу використовується для випаровування вторинної пари в наступному. Тоді для двохкорпусної установки з 1 кг гріючої отримаємо 2 кг вторинної пари, тобто співвідношення . В загальному випадку n корпусів маємо .

Розрахунок поверхні гріючої камери

При виборі випарного апарату основною його характеристикою є поверхня гріючої камери F, яка визначається з основного рівняння теплопередачі

(8)

тут Q – кількість тепла, що передається, і яка визначається з теплового балансу (5)

К – коефіцієнт теплопередачі, який визначається за відомою нам формулою

(9)

де α₁ і α₂ – коефіцієнти тепловіддачі від пари до стінки і від стінки до розчину, що кипить. α₁ і α₂ визначаються за відповідними рівняннями.

– термічний опір стінки і нашарувань на ній.

– рушійна сила процесу випарювання (називається корисна різниця температур теплоносіїв).

(10)

– температура конденсації гріючої пари (залежить від тиску і температури), для водяної пари (табл.LVII).

– температура кипіння розчину, її значення розраховують так

тут – температура кипіння чистого розчинника, яка залежить від природи розчинника та його тиску.

– температурна депресія, тобто підвищення температури кипіння розчину по відношенню до чистого розчинника, залежить від природи розчинника та розчинних сполук, концентрації розчину і тиску. Її значення наведені в спеціальній літературі і довідниках (за атмосферного тиску).

– гідростатична депресія, або підвищення температури кипіння в об’ємі розчину внаслідок дії гідростатичного тиску самої рідини. В першому наближенні приймають .

– гідравлічна депресія, або підвищення температури кипіння розчину, внаслідок збільшення тиску над поверхнею, необхідного для подолання втрат тиску при переміщенні вторинної пари з корпусу в інші апарати. Приймають .