1.3 Корисна різниця температур

Загальна корисна різниця температур дорівнює:

ΣΔtк = Δtк₁ + Δtк₂ + Δtк₃.

Корисні різниці температур по корпусах рівні:

Δtк₁ = t_r1 – tк₁ = 161,15 − 156,41 = 4,74 ^оС;

Δtк₂ = t_r2 − tк₂ = 136,02 − 130,85 = 5,17 ^оС;

Δtк₃ = t_r3 − tк₃ = 123,06 − 85,43 = 37,63 ^оС.

Тоді загальна корисна різниця температур:

ΣΔtк = 4,74 + 5,17 + 37,63 = 47,54 ^оС.

Перевіримо загальну корисну різницю температур:

ΣΔtк = t_r1 − t_БК − (ΣΔ_Т + ΣΔ_ГСТ + ΣΔ_ГД) = 161,15 − 53,88 − (31,34 + 25,39 + 3) = = 47,54 ^оС.

1.4 Визначення теплових навантажень

Витрата гріючої пари в 1-й корпус, продуктивність кожного корпусу по випареній воді і теплові навантаження по корпусах визначаються шляхом спільного рішення рівнянь теплових балансів по корпусах та рівняння балансу по воді для всієї установки:

,

,

,

,

де 1,03 - коефіцієнт, що враховує 3% втрат тепла в навколишнє середовище; с₁, с₂ - теплоємності розчинів відповідно в першому і в другому корпусах, кДж/(кг∙К) [4]; Q_1конц, Q_2конц, Q_3конц - теплоти концентрування по корпусах, кВт; t_П - температура кипіння вихідного розчину при тиску в 1-му корпусі; t_П = t_вп1 + Δ_П = 137,02 + 1,0 = 138,02 ^оС (де Δ_П - температурна депресія для вихідного розчину); приймаємо, що I_вп1 ≈ I_r2; I_вп2 ≈ I_r3; I_вп3 ≈ I_БК.

Аналіз залежностей теплоти концентрування від концентрації і температури показав, що вона найбільша для третього корпусу. Оскільки Q_3конц становить менше 3% від Q_3ор, в рівняннях теплових балансів по корпусах нехтуємо величиною Q_конц. Отримаємо систему рівнянь:

.

Рішення цієї системи рівнянь дає наступні результати: D = 2,31 кг/с; ω₁ = 1,94 кг/с; ω₂ = 2,15 кг/с; ω₃ = 2,37 кг/с; Q₁ = 4797 кВт; Q₂ = 4119 кВт; Q₃ = 4701 кВт.

Таблиця 3 - Результати розрахунків

Параметр	1 корпус	2 корпус	3 корпус
Продуктивність по випарюваній воді, ω, кг/с	1,94	2,15	2,37
Концентрація розчинів, х, %	12,94	19,13	40
Тиски гріючих парів Рг, МПа	0,65	0,44	0,227
Температура гріючих парів tг,оС	161,15	136,02	123,06
Температура кипіння розчинів, оС	156,26	124,53	66,56
Корисна різниця температур, ΔК, оС	4,74	5,17	37,63

1.5 Вибір конструкційного матеріалу

Вибираємо конструкційний матеріал, стійкий в середовищі киплячого розчину KOH в інтервалі зміни концентрацій від 8 до 40%. У цих умовах хімічно стійкою є сталь марки Х17. Швидкість корозії її не менше 0,1 мм/рік, коефіцієнт теплопровідності λст = 25,1 Вт/(м∙К).

1.6 Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі

Коефіцієнт теплопередачі для 1 корпусу визначають за рівнянням адитивності термічних опорів:

Приймемо, що сумарний термічний опір рівний термічному опору стінки Σδ_ст/λ_cт і накипу δ_П/λ_П. термічний опір, забруднень з боку пара не враховуємо.

Отримаємо:

∑δ/λ = 0,002/25,1 + 0,0005/1,75 = 2,87∙10⁻⁴ м²∙К/Вт.

Швидкість утворення накипу не менше 0,05 мм/рік, коефіцієнт теплопровідності λст = 1,75 Вт/(м∙К).

Коефіцієнт тепловіддачі від конденсуємої пари до стінки α₁ дорівнює [1]:

,

де r₁ - теплота конденсації гріючої пари, Дж/кг;

ρ_р1, λ_р1, μ_р1 - відповідно щільність (кг/м³), теплопровідність (Вт/(м∙К)), в'язкість (Па∙с) конденсату при середній температурі плівки t_пл = t_r1 - Δt₁/2, де Δt₁ - різниця температур конденсації пари та стінки. t_пл = 161,15 − 10/2 = = 156,15 град.

Розрахунок α₁ ведуть методом послідовних наближень. Приймемо Δt₁ = 10 град. Тоді:

Вт/(м²∙К).

Для усталеного процесу передачі тепла справедливе рівняння:

q = α₁∙Δt₁ = Δt_ст/(Σδ/λ) = α₂∙Δt₂,

де q - питома теплова навантаження, Вт/м²;

Δt_ст - перепад температур на стінці, град.;

Δt₂ - різниця між температурою стінки з боку розчину і температурою кипіння розчину, град.

Звідси

Δt_ст = α₁∙Δt₁∙Σδ/λ = град.

Тоді

Δt₂ = Δt_п1 − Δt_ст − Δt = 9,2 град.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину для бульбашкового кипіння у вертикальних кип’ятильних трубках за умови природної циркуляції розчину дорівнює:

.

Підставивши чисельні значення, отримаємо:

Фізичні властивості киплячих розчинів КОН і їх парів наведені нижче.

Параметр	1 корпус
Теплопровідність розчину λ, Вт/(м·К)	0,69
Щільність розчину ρ, кг/м3	1400
Теплоємкість розчину с, Дж/(кг·К)	2765
В’язкість розчину μ, ∙10−3 Па·с	0,7
Поверхневий натяг σ, Н/м	0,099
Теплота пароутворення rв, Дж/кг	2337,8
Щільність пари ρп, кг/м3	0,098

Перевіримо правильність першого наближення по рівності питомих теплових навантажень:

q'= α₁∙Δt₁ = Вт/м²

q'' = α₂∙Δt₂ = Вт/м²

Як бачимо, q'= q''. Тому розбіжність між тепловими навантаженнями не перевищує 3%, знаходимо коефіцієнт К₁:

Вт/м²∙К.

Далі розрахуємо коефіцієнт теплопередачі для другого і третього корпусів K₁: К₂: К₃ = 1: 0,58: 0,34.

Звідси

К₂ = К₁∙0,58 = 1694∙0,58 = 982,52 Вт/м²∙К.

К₃ = К₂∙0,34/0,58 = 982,52∙0,34/0,58 = 576 Вт/м²∙К.