5.2 Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

G_возд=2,5*10^-5*( G_в+ ω₃)+0,01* ω₃, (5.5)

где 2,5*10^-5-количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01-количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

G_возд =2,5*10^-5*( 1,05+11,14)+0,01*1,05= 0,011 кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

V_возд=R*(273+t_возд)* G_возд/( M_возд* P_возд), (5.6)

где R-универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль*К); M_возд-молекулярная масса воздуха, кмоль/кг; t_возд-температура воздуха, ⁰С; P_возд-парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Рассчитываем температуру воздуха:

t_возд= t_н+4+0,1*( t_к- t_н) = 20+4+0,1*(72,4 -20) =29,24 ⁰С

Давление воздуха равно:

P_возд = Р_бк - Р_п, (5.7)

где Р_п-давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд. (табл. LI /5/).

Подставив, получим:

P_возд =40000-3830= 3,6*10⁴ Па

Тогда:

V_возд =8310*(273+29,24)* 11*10^-3/(29*3,6*10^-3) = 0,03 м³/с =1,8 м³/мин

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк, подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 [приложение 4.6 /2/], имеющий характеристики: остаточное давление – 75 мм рт.ст., объемная производительность – 3 м³/мин, мощность на валу – 6,5 кВт.

5.3 Расчет подогревателя раствора

Рассчитаем подробно теплообменник, в котором раствор, подаваемый на выпаривание, подогревается от t_н1= 20 ⁰С до требуемой температуры t_к1= 127,7 ⁰С. В качестве греющего агента принимаем насыщенный водяной пар тех же параметров: Р_гп=1,07 МПа; t_гп= 143 ⁰С.

Определим среднюю температуру второго теплоносителя:

t _ср1 = (t_н1+t_к2)/2 = (128,92+20 )/2=73,85 ⁰С (5.8)

Свойства подогреваемого раствора при этой температуре:

С₁= 3,385 кДж/кг*К; μ₂= 0,0002 Па*с; λ₂= 0,55 Вт/(м*К); ρ₂= 1120 кг/м³.

Определим тепловую нагрузку теплообменника по уравнению:

Q=G_н*C₁*(t_к1-t_н1), (5.9)

где G₁- расход подогреваемого раствора, кг/с. Из расчета основного аппарата имеем G₁= 3,056 кг/с.

Q= 3,056*3,385*1000*(142,9-20)=1271346 Вт

Определим расход грющего пара G₁:

G₁=1,03*Q/r₁ (5.10)

где r₁-теплота парообразования греющего пара при t_гп, (2136 кДж/кг) ; 1,03 – учет потери теплоты.

G₁= 1,03*1271,346/2136=0,61 кг/с.

Определим среднелогарифмическую разность температур Δt_ср:

Δt_ср=(Δt_б –Δt_м)/ln(Δt_б /Δt_м), (5.11)

где Δt_б и Δt_м –большая и меньшая разности температур, С.

Δt_б =( t_гп - t_н1)= 142,9-20=122,9 ⁰C

Δt_м=( t_гп – t_к1)= 142,9-128,92 =15,2 ⁰C

Подставив значения в (5.11), получим:

Δt_ср=(122,9-15,2 )/ln(122,9/15,2)=51,5 ⁰С

Примем ориентировочное значение Re=12000. Что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Такой режим течения возможен в теплообменнике с числом труб, приходящихся на один ход:

Для d_н=252 мм.

N/z=4*G₁/*d*Re_op*₁ (5.12)

N/z=4*3,056/(3,14*0,021*12000*0,0002)=77,2

Для нашей системы жидкостей примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор= 1000 Вт/(м²*К). Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

F_ор=Q/ (Δt_ср * К_ор) =1271346/51,5*1000=24 м²

Выбираем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена [1].F=26 м² и длиной труб l=3 м, число ходов z=1.

В трубное пространство направим подогреваемый раствор, в межтрубное - греющий пар.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Для выбора формулы для расчета коэффициента теплоотдачи α₁ определим значение критерия Рейнольдса для подогреваемого раствора Re₁ по формуле:

Re₁=4*G₁/π*d*(n/z)*μ₁, (5.13)

где d – внутренний диаметр труб теплообменника, м; n- число труб, z- число ходов.

Re₁ =4*3,056/(3,14*0,021*77,2*0,0002) = 12006

Режим движения турбулентный._.

Определение коэффициента теплопередачи для раствора рассчитывают по формуле:

_р = λ/d*0,021*Re^0,8*Pr^0,43*(Pr/Pr_ст)^0,25 (5.14)

где Pr – критерий Прандтля; λ – коэффициент сопротивления.

Определяем критерий Прандтля по уравнению:

Pr = C*/λ (5.15)

λ – можно найти по уравнению:

λ = 3,58*10^-8*c** (5.16)

где μ=20 - средняя молекулярная масса раствора СаСl₂;  = 1120 кг/м³ – плотность раствора.

λ = 3,58*10^-8*3385*1120*(1120/20 )^1/3=0,52 Вт/(м*град)

Pr = 3385*0,0002/0,52 =1,3

_р = 0,52/0,021*0,021*12006^0,8*1,3^0,43*(1,3/Pr_ст)^0,25 = 1,140*Pr^-0,25 кВт/(м²*град)

Коэффициент теплопередачи _конд для конденсирующегося пара принимаем _конд = 12000 Вт/(м²*град).

Определение термического сопротивления стальной стенки и загрязнений.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны конденсирующегося водяного пара 1/r_загр1 = 11600 Вт/м²*град, а со стороны нагреваемого раствора 1/r_загр2 = 1600 Вт/м²*град.

Теплопроводность стали λ = 17,5 Вт/(м*град).

Тогда имеем:

r_ст = r_загр1 + r_ст + r_загр2= 1/11600 +0,002/17,5 +1/1600 =8,2*10^-4 м²*град/Вт