2.2. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

. (1)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

(2)

Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

Тогда

; ; .

Далее рассчитываются концентрации растворов в корпусах

; ; .

Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .

Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен

.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах можно определить следующим образом:

– из задания;

;

.

Давление пара в барометрическом конденсаторе

,

что соответствует заданному значению .

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии (cм. приложение 1)

Р, Па; t, ºС; I, кДж/кг

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной ( ), гидростатической ( ) и гидродинамической ( ) депрессий .

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают град на корпус. Примем для каждого корпуса град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

;

;

.

Сумма гидродинамических депрессий

.

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно ; ; .

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению

, (3)

где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ – плотность кипящего раствора, кг/м³; ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000–50000 Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией q = 40000–80000 Вт/м². Примем q = 40000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

,

где – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11987–81 (см. приложение 2) принимаем высоту кипятильных труб Н. Плотность растворов по корпусам можно рассчитать по следующим зависимостям

;

,

где х – средняя концентрация раствора в корпусе, %; – температура раствора в корпусе, ºК.

ºК

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет .

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

;

;

.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2]

Р, Па; t, ºС; r, кДж/кг

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ºС)

; ; .

Сумма гидростатических депрессий

.

Температурную депрессию определим по уравнению

. (4)

Сумма температурных депрессий

.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ºС)

;

;

.