Многокорпусная выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева, страница 3

Nu_= 71,7.

Тогда _= Nu__воды/d = 71,7*0,648/0,021 = 2212 Вт/К*м²,

Где _воды= 0,648 Вт/м*К - теплопроводность 9 % нитрата аммония при температуре кипения (4, стр. 61).

Расчёт коэффициента А.

По при Т=140,9 ⁰С λ=68,47·10^-2 Вт/мК, ρ=926 кг/м³, μ=198·10^-6 Па·с, r=2141 кДж/кг,

Н=4 м

Расчёт коэффициента теплопередачи К.

Установим коридорное расположение труб

К = {(К^1/3_ср^1/3/ А^4/3) + (_ст_ст_}^-1

_ср= 81,5⁰C;

_ст= 2мм = 0.002м – толщина стенок нагревательных труб;

_ст= 16,4 Вт/м*К – теплопроводность материала стенки;

_ = 2212 Вт/К*м²- коэффициент теплоотдачи от поверхности трубки к раствору;

А= 8716 ;

_= 1823 Вт/м² .

_ср^1/3/ А^4/3=81,5^1/3/0,67*9366^4/3=0,361*10^-4

_ст_ст=1,22*10^-4

_10^-4

Воспользуемся итерационным расчётом:

К=1064Вт/(м²*К).

Расчёт поверхности теплообмена.

Fор = Q/Kор*ср = 609*10³/1064*81,5 = 7,0м²

окончательно принимаем двухходовой теплообменник типа ТН или ТЛ

F=13 м² ; d=25*2 мм ; D=325 мм; n=56 шт; L=3000 мм

Механический расчёт аппаратов выпарных установок

Механический расчёт выполняется для первого корпуса (корпус, представленный в графической части проекта).

Греющая камера.

Расчёт толщины стенки греющей камеры.

Корпус греющей камеры выпарного аппарата представляет собой вертикальную обечайку, работающую для первого корпуса выпарной установки под внутренним, избыточным давлением, равном давлению греющего пара р= 0,4 МПа = 4 ата.

Номинальная расчётная толщина стенки расчитывается по формуле:

_ст’pD/(2p)

Допускаемое напряжение =, где  =1,0 – поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата (8, стр. 408);  - нормативное допускаемое напряжение для выбранного материала - сталь марки Х18Н10Т.

 = 138 МН/м² – номинальное допускаемое напряжение при температуре 140,9⁰С (8, стр. 406).

 =* = 138 МН/м²

 = 1,0 – коэффициент прочности сварного шва – сварной шов стыковой двухсторонний (карасев, стр.20).

D = 400мм – диаметр греющей камеры.

Тогда _ст’(0,4*10⁶*0,4)/(2*138*10⁶*1 0,4*10⁶) = 0,6 мм.

Расчётная толщина стенки равна _ст _ст’+ Ск + Сэ + Сд + Со, где Сэ – прибавка на эрозию или другой вид механического воздействия рабочей среды на материал, Сд – дополнительная прибавка по технологическим, монтажным и другим соображениям, величинами Сд и Сэ пренебрегаем.

Ск = 1мм, т.к. проницаемость данного материала не более 0,1 мм/год (8, стр. 409).

Со = 1 - прибавка на округление размера.

Тогда _ст= 2,6 мм.

Таким образом, толщина стенки должна быть не менее 3мм, принимаем _ст 6 мм

Расположение труб в греющей камере.

При размещении кипятильных труб стремятся к равномерному их распределению по сечению греющей камеры. Трубы расположены в шахматном порядке – по сторонам равносторонних шестиугольников.

При расположении труб по периметру равносторонних шестиугольников греющая камера получается наиболее компактной по сравнению с другими способами расположения труб.

Число шестиугольников для расположения труб:

К = ((12n-3)^½-3)/6 = 4, где n=56 – число труб.

Число труб по диагоналям шестиугольника b = 2К+1=9.

Диаметр ограничительной окружности Dо = Dн – 2(_ст+15)370мм, где Dн = 412мм – наружный диаметр греющей камеры.

Расстояние между осями соседних труб – шаг t=32 мм (6, стр. 17).

Крепление кипятильных труб в трубной решетке.

Наиболее распространённым способом закрепления труб в трубных решетках является развальцовка. Развальцовка труб заключается в холодной раздаче (раскатки) их в отверстиях трубной решетки. Крепление труб в трубных решетках гладкой развальцовкой.

Расчёт закрепления труб в трубной решетке выпарного аппарата заключается в определении расчётной минимальной высоты трубной решетки, обеспечивающей крепление в ней труб при вальцовке:

h’=(4,35d_н+15)/(t-d_н)= (4,35*25+15)/(32-25)=18мм.

Примем h’= 18 мм.

Расчёт толщины трубной решетки.

Трубная решетка - Тип 2.

Номинальная расчетная высота трубной решетки снаружи:

h₁= k₁(P_б/_ид)^1/2, где k = f(D_б/D_n) (8, стр 24); D =400 мм – внутренний диаметр греющей камеры, р=0,4 МПа – давление греющего пара, _ид =138 МН/м² 55 - допускаемое напряжение на изгиб для материала решетки (8, стр. 27).

D_б=фD^0.933 = 0.5 м

D_n =( D_б+D_вн)/2= (0,5+0,412)/2= 0,456 м

D_n – внешний диаметр уплотнения

P_б – расчетное усилие в болтах на растяжение

P_б = аP_c + P_n + 4M_n/D_n, а – константа жесткости соединения а=0,8

P_c = (П/4)D_n²р=(3,14/4)*0,456²*0,4*10⁶=0,065 Мн, где P_c – расчетная сила давления среды

P_n=П D_nbq=3,14*0,456*0,028*20*10⁶=0,8 Мн, где b – ширина прокладки, q – удельная нагрузка прокладочных материалов

P_б=0,852 Мн

h₁=0,25*(0,852/138)^1/2=20 мм

Номинальная расчётная высота трубной решетки посередине:

h = kD (p/_о_ид), где _о= (D-d)/D = (D-d_нb)/D =(400-25*9)/400=0,43 _о - коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями под кипятильные трубки; к=0,47.

h = 0,47*400(0,4/0,43*138)^1/2=16 мм

Брызгоотделитель.

Брызгоотделители располагаются в верхней части сепарационного пространства и служат для окончательного отделения капель раствора от вторичного пара. Выберем брызгоотделитель циклонного типа. (10, стр.51):

D₅=500мм; d₁*=225мм; H₅*=640мм; H₆=530мм; B=150мм; C=350мм; K=400мм; I₁=200мм; I₂=50мм; количество щелей n = 6.

Днища и крышки.

Подбор эллиптической крышки сепаратора.

Толщина стенки 6 мм.

Подбираем элиптическое днище (6, стр.55):

D_вн = 800мм; h = 25мм; h_в = 200мм.

Подбор конического днища сепаратора.

Толщина стенки 6 мм.

Подбираем коническое днище (6, стр.58):

D_вн = 800мм; h = 40мм; h = 725мм

Подбор эллиптической днище греющей камеры.

Толщина стенки 6 мм.

Подбираем элиптическое днище (6, стр.55):

D_вн = 400мм; h = 25мм; h_в = 100мм.

Основные штуцера выпарного аппарата.

Подбор произведен по кафедральному стенду ПАХТа исходя их диаметра греющей камеры.

Штуцер для входа исходного раствора.

d=50 мм

Штуцер для отвода раствора

d=50 мм

Штуцер для отвода вторичного пара

Принимаем d=200 мм.

Штуцер для ввода греющего пара

d=200мм.

Штуцер для отвода конденсата

d=40мм.

По таблице (6, стр.63) подбираем размеры штуцера

Расчёт тепловой изоляции аппарата

Тепловая изоляция аппарата применяется для уменьшения потерь тепла в окружающую среду и расхода греющего пара.

Расчёт толщины тепловой изоляции рассматривается при установившемся тепловом потоке q_l=const, где q_l – тепловой поток. Отнесённый к единице высоты греющей камеры. При расчёте принимают, что потери в окружающую среду равны не более Q₀ = (0,03-0,05)Q₁.

Тогда q_l = 0,05Q₁/l , где l = 3м – высота кипятильных труб, Q₁ =2015 кВт.

q_l = 0,05*2015*10³/3 = 3,36*10⁴ Вт/м.

Перенос теплоты из межтрубного пространства греющей камеры в окружающую среду – многостадийный процесс.

Теплоперенос при конденсации греющего пара.

В межтрубном пространстве имеет место конденсация греющего пара, поэтому

q_l= _конд*D_вн(t_гп -_А(t_гп - ₁)^3/4*D_вн

_конд = 2,035А’(r_гп/l)^1/4*(t_гп - ₁)^-1/4;

А = 2,035А’(r_гп/l)^1/4,

А’= (_конд^ _конд^/ _конд)^1/4, где _конд ,  _конд^,  _конд – физические параметры конденсата греющего пара, причём А’ – табулирован (6, стр.40), выбираем А’=195 при температуре 140,9⁰С, r_гп = 2141 кДж/кг - теплота парообразования греющего пара при температуре 140,9⁰С.

Т.о., А=2,1*10³

D_вн=0,4 м – внутренний диаметр стенок греющей камеры.

q_l =2,1*10³*(140,9-102,8)^3/4 *3,14*0,4=40,5 кВт

Теплоперенос через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала.

Стационарный теплоперенос теплопроводностью через стенку греющей камеры и слой изоляционногоматериала представляется как

q_l= (_ -__стln(D_н/D_вн),

q_l= (_ -__изln(D_из/D_н),

где _, __ - температуры внутренней стенки, стенки между изоляционным материалом и стенкой, наружной поверхности изоляционного материала;

_ = 40⁰С – выбирается исходя из условий безопасности обслуживания установки.

_ст, _из- теплопроводность стенки греющей камеры и изоляционного материала:

_ст=16,4 Вт/мК

_из = 0,0098 Вт/мК - теплопроводность для совелита – 85% магнезии и 15% асбеста (6, стр.44).

D_н =0,412 м– наружный диаметр стенок греющей камеры

D_из – наружный диаметр изоляции.

Теплоперенос от наружной поверхности изоляции в окружающую среду.

q_l= _о(_-t_ср)D_из

где t_ср = 20⁰С - температура окружающей среды,

_о- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, который слагается из коэффициентов теплоотдачи за счёт естественной конвекции (_о^,) и за счёт излучения (_о^,,).

_о = _о^, + _о^,,,

где _о^,, = с(((273+_)/100)⁴ – ((273+ t_ср)/100)⁴)/ (_-t_ср)

с =С_ч - константа излучения, зависящая от рода материала и состояния поверхности излучения:

степень чёрнотыповерхности изоляции 6стр

С_ч =5,7 Вт/м²К⁴ – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела,

с = 0,96*5,7 = 5,5 Вт/м²К⁴

Тогда _о^,, =5,5(96 - 74)/20 = 6,1 Вт/м²К.

_о^, = N*((_-t_ср)/D_из^mⁿ

Найдём произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr:

Критерий Прандля для воздуха в диапазане температур 10-500⁰С при атмосферном давлении остаётся практически постоянным и равным 0,722.

Критерий Грасгофа Gr = gD_из³t/^где = 1/(273+30)=0,0033 – коэффициент объёмного расширения воздуха,  = 0,014*10^-3м²/с  кинематическая вязкости воздуха при температуре 30⁰С, ^Н*с/м²динамическая вязкость воздуха при температуре 30⁰С;кг/м³плотность воздуха при тех же условиях l = 3 м.

Для определения величины критерия Грасгофа необходимо располагать значением D_из, который, собственно, является искомым в проводимом расчёте. Однако для рачёта не требуется точного значения произведения Gr*Pr и достаточно лишь располагать порядком этой величины. В связи с этим в выражения для критерия Грасгофа вместо D_из можно подставить значение наружного диаметра корпуса аппарата D_н = 0,412 м.

Тогда критерий Грасгофа Gr = 9,81*(0,415)³*0,0033*(40-20)/0,014*10^-3)^=2,3*10⁸

Произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr = 1,7*10⁸.

Т.к. произведение критериев Прандтля и Грасгофа (Gr*Pr)>2*10⁷, то n = 1/3; m=0; N=1,450 (1, стр.20).

Тогда _о^, = 1,450*(40-20)^0,33= 3,9 Вт/м²К.

Следовательно, _о = _о^, + _о^,, = 3,9 + 6,1 = 10 Вт/м²К.

Расчёт толщины изоляции.

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

_о(_-t_ср) _из/ _из)(_ -_

Причём _–температура наружной поверхности аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции _ принимают равной температуре греющего пара 140,9⁰С.

Тогда  _из _из(_ -__о(_-t_ср) = 0,098*(140,9-40)/10(40-20) = 0,050м = 50мм

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,050м и для других корпусов.

Конденсатоотводчики.

Для отвода конденсата, образующегося при работе теплообменных аппаратов, в зависимости от давления пара, применяют различные виды устройств.