2.4 Расчет полезной разности температур

Общая полезная разность температур равна:

(2.11)

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

_.

Тогда общая полезная разность температур равна:

Проверим общую полезную разность температур:

2.5 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

(2.12)

(2.13)

(2.14)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3 % потерь в окружающую среду; с_Н,

с₁, с₂ – теплоёмкости растворов соответственно исходного (начальной концентрации), в первом и во втором корпусе, кДж/(кг∙К); Q_1конц, Q_2конц– теплота концентрирования по корпусам, кВт; t_Н – температура кипения исходного раствора в первом корпусе, °С:

_.

где - температурная депрессия для исходного раствора. При решении уравнений (2.14) – (2.15) можно принять I_вп1 ≈ I_г2; I_вп2 ≈ I_бк;Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для второго корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для второго корпуса.

Поскольку Q_2конц составляет значительно меньше 3% от Q_2ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_конц.

Получим:

Q ₁ = D (940 – 219,2) = 1,03 [0,0084•3,78 (55,4 - 55) + w₁ (940 - 4,19 • 55,4)];

Q₂ = w₁ (923 – 197,7) = 1,03 [(0,00084 - w₁) • 3,75 (47,56- 55,4) + w₂ (912 -4,19 • 47,56)]

Решение системы уравнений даёт следующие результаты: D=0,475 кг/с; w₁=0,475 кг/с; w₂=0,475 кг/с; Q₁ = 500 кВт; Q₂ = 500 кВт.

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышают 5 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам. Полученные величины сводим в таблицу 2.4

Таблица 2.4 Параметры растворов и паров по корпусам

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	0,475	0,475
Концентрация растворов х, %	5	95
Давление греющих паров Рг, Мпа	0,0096	0,0085
Температура греющих паров tг, °С	62	53
Температура кипения раствора tк, °С	55,4	47,56
Полезная разность температур, Δtп, град	6,6	5,44

2.6 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал,стойкий в среде кипящего раствора NaОН в интервале изменения концентраций от 5 до 95%. В условиях химически стойкой является сталь марки 12х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λст= 25,1 Вт/(м·К).

2.7 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса К определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

(2.17)

где α₁, α₂ – коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от кипящего раствора к стенке соответственно, Вт/(м²·К); δ – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δ_ст/λ_ст и накипи δ_н/λ_н.

Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке α₁ равен:

(2.18)

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

ρ_{ж 1,}λ_{ж 1},μ_{ж 1} – соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки

t_пл = t_г1 - t₁/2, где t₁ – разность температур конденсации пара и стенки, град.;

–вязкость конденсата [1];

_{–теплопроводность;}

_{–плотность;}

Расчёт α₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt₁ = 2,0 град.

Тогда

.

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; Δt_ст – перепад температур на стенке, град; Δt₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рисунке.

Рисунок 1.1 Распределение температур в процессе теплопередачи от

пара к кипящему раствору через многослойную стенку: 1 – пар; 2

конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор.

Тогда

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора [6] равен:

(2.19)

где ρ_ж, ρ_П, ρ₀ – соответственно плотность жидкости, пара и пара при абсолютном давлении р = 1 ат., кг/м³; σ – поверхностное натяжение, Н/м; μ – вязкость раствора, Па∙с.

Физические свойства раствора NaОН в условиях кипения приведены в таблице 2.5.

_.

Таблица 2.5 Физические свойства кипящих растворов NaОН

Параметр	Корпус
	1	2
Теплопроводность раствора λ, Вт/(м∙К)	0,616	0,627
Плотность раствора ρ, кг/м3	1066	1111
Теплоёмкость раствора с, Дж/(кг∙К)	3694	3717
Вязкость раствора μ, Па∙с	0,33∙10-3	0,56∙10-3
Поверхностное натяжение σ, Н/м	0,0619	0,0675
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2103∙103	2148 103
Плотность пара ρп, кг/м3	3,83	0,25

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

;

.

Как видим, q^’ ≠ q^”. Для второго приближения примем Δt₁ = 10 град, пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры, рассчитываем α₁ по соотношению:

.

Тогда получим:

,

,

_,

,

_.

Как видим, q^’ ≠ q^”.

Для третьего приближения из графика зависимости примем Δt₁ =1.94 град.

.

Тогда получим

_,

_,

_,

,

.

Как видим, q^’ ≈ q^”. Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчёт коэффициентов α₁ и α₂ заканчивают. Находим К₁:

.

Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂. Примем в первом приближении Δt₁ = 2,0 град. Для второго корпуса:

,

t_ст = 8786 2,88 3,3 10^-4 = 8,35 град;

t₂ = 16,7 - 2,88 - 8,35 = 5,47 град;

_,

_,

q' = 8786 2,88 = 25304 Вт / м²;

q'' = 4555 5,47 = 24916 Вт / м².

Как видим, q^’ ≠ q^”. Для второго приближения примем Δt₂=40,5 град.

Тогда получим: _,

,

,

,

.

Как видим, q^’ ≈ q^”. Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчёт коэффициентов α₁ и α₂ заканчиваем и находим К₂:

.