2. Методика розрахунку випарних апаратів

При проектуванні і експлуатації випарних установок виникає необхідність вирішення таких основних груп завдань:

1. Вибір конструкцій апаратів і схем їх установок, визначення оптимальних параметрів розроблених установок.

2. Визначення оптимального режиму роботи діючих установок, що забезпечуватиме необхідну продуктивність установки, якість готового продукту й інші показники.

При вирішенні цих завдань використовуються проектні і перевірочні розрахунки. Основною метою проектних розрахунків є визначення конструктивних параметрів апаратів випарних установок при обраних умовах теплового режиму їх роботи. При виконанні перевірочних розрахунків діючих випарних установок основною метою є встановлення оптимального режиму роботи при заздалегідь відомих конструктивних параметрах апаратів.

Нижче розглядаються методи розрахунку поверхневих випарних апаратів, при проектних розрахунках яких площі поверхні нагрівання апаратів є обумовлені певними розмірами, а при перевірочних розрахунках – заданими розмірами.

При виконанні проектних розрахунків можливі такі типові випадки: 1) число апаратів випарної установки і її теплова схема є заданими, тоді визначаються площа поверхні нагрівання і конструктивно-режимні параметри апаратів; 2) визначаються не тільки конструктивно-режимні параметри апаратів (включаючи площі поверхні нагрівання), а також число апаратів і оптимальна теплова схема установок.

При перевірочних розрахунках визначаються фактична продуктивність випарної установки та інші техніко-економічні показники з метою зіставлення цих величин з відповідними нормативними значеннями.

Проектування випарних установок включає такі основні розрахунки: теплотехнічний, конструкційний, механічний, гідравлічний, техніко-економічний та розрахунок допоміжного устаткування.

3. Математичне моделювання та розрахунок однокорпусного випарного апарату

Матеріальний баланс випарного апарату може бути складений за повною кількістю речовини:

за концентрованим розчином:

де G_П – загальна кількість речовини, що надходить в апарат, кг; G_К – кількість речовини, що виходить з апарата, кг, W –продуктивність, кг/с, Х_П, Х_К – початкова та кінцева масові концентрації речовини, %.

Якщо задані G_П, Х_П, то, розв’язуючи одночасно обидва рівняння матеріального балансу, знаходимо:

Визначення температури кипіння розчину. Температура кипіння розчину визначається за формулою:

де t_ВП – температура вторинної пари (визначається за тиском в апараті), ⁰С; ∆ – повна депресія, яка дорівнює різниці температур між температурами кипіння розчину та чистого розчинника при однаковому тиску.

Тепловий баланс складається з метою визначення витрати гріючої пари; для апаратів періодичної дії визначається також тривалість процесу.

Тепловий баланс для апарату періодичної дії складається на один цикл роботи. При цьому визначаються такі величини:

1. Витрата теплоти на підігрів розчину до температури кипіння:

де – G_П кількість розчину, що надходить в апарат, кг; с_П – питома теплоємність розчину, що надходить, Дж/(кг^.К); t₀ – початкова температура розчину, ⁰С.

2. Витрата гріючої пари на підігрів розчину до температури кипіння:

де 1,03 – коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище; r_ГП – питома теплота утворення гріючої пари, Дж/кг.

3. Витрата теплоти на упарювання розчину:

де і_ВП – питома ентальпія вторинної пари, Дж/кг; с_В – теплоємність води при , Дж/(кг^.К).

4. Витрата гріючої пари на упарювання розчину:

Тоді загальні витрати пари у випарному апараті періодичної дії складають:

5. Тривалість періоду нагрівання:

де t_ГП – температура гріючої пари, ⁰С; F – площа поверхні теплопередачі, м²; К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м^{2 . 0}С.

6. Площу поверхні теплообміну F розраховують за формулою:

де q – питоме теплове навантаження, Вт/м ².

Коефіцієнт теплопередачі К орієнтовно приймають у межах К=300 ÷750 Вт/(м² K).

7. Тривалість періоду випаровування τ₂ визначається з рівняння:

(167)

Рівняння (167) розв’язується за методом графічного інтегрування, якщо відомі залежності Q, К і t від концентрації розчину.

8. Загальна тривалість циклу складе:

9. Якщо випарний апарат працює безперервно, то витрата гріючої пари визначається з рівняння теплового балансу:

або

де τ_ГП – питома теплота конденсації гріючої пари, Дж/кг; с_П і с_К теплоємність поступаючого відповідно на випарку розчину й упареного розчину, Дж/(кг^.К); і_ВП – питома ентальпія вторинної пари, Дж/кг; с_В – питома теплоємність конденсату, Дж/(кг^.К); t₁ – температура розчину, що надходить у випарний апарат, ⁰С; Q_ВТ – втрати теплоти в навколишнє середовище, Вт.

10. Теплове навантаження гріючої камери:

Корисна різниця температур або температурний напір у випарних апаратах періодичної дії визначається для двох періодів його роботи.

11. В апаратах безперервної дії корисну різницю температур визначають за формулою: