Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора

При кипении раствора, движущегося внутри трубы, удобно условное разделение всей длины трубы на две зоны те­плообмена и гидродинамики:

- зона от начала обогрева до сечения, в котором стенка трубы достигает температуры насыщения, соответст­вующей давлению в этом сечении, т. е. зона, в которой происходит только повышение температуры раствора при отсутствии процесса кипения - так называемая кон­вективная зона;

- зона развитого кипения.

Согласно методике расчета теплопередачи при пузырь­ковом кипении в трубе [9] рекомендуется следующий порядок расчетов (расчет проводим для первой ступени, остальные данные сводим в таблицу 3):

I. Выбирают отношение площади сечения обратной циркуляционной трубы выпарного аппарата f_ц, к площади поперечного сечения трубного пучка f0. Рекомендуется

f_ц/f₀ = 0,1..0,4.

2. Определяют размер, пропорциональный отрывному диаметру парового пузыря, м:

(28)

где σ - коэффициент поверхностного натяжения для рас­твора, H/м; определяется по концентрации и температу­ре выпариваемого раствора из [4] или по Приложению 2;

ρ_р - плотность раствора, кг/м³; определяется по кон­центрации и температуре раствора из [4] или по При­ложению;

ρ_ви - плотность вторичного пара, кг/м; определяется по давлению вторичного пара из [3];

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

3. Определяют критерий Прандтля для раствора по формуле:

(29)

где С_р - изобарная теплоемкость раствора, Дж/(кг-К);

µ_р - динамический коэффициент вязкости раствора, Па∙с;

λ_р - теплопроводность раствора, Вт/(м-К).

Указанные теплофизические свойства и критерий Прандтля определяют по средней концентрации и температуре раствора в данной ступени по Приложению 2.

5. Кратностью циркуляции n называют отношение ко­личества раствора, кг/с, циркулирующего в контуре выпарного аппарата, к паропроизводительности аппарата W, кг/с. Опре­деляется по формуле:

(30)

где C - коэффициент, значение которого выбирают в зави­симости от типа выпарного аппарата по табл. 2.

L, d - длина и внутренний диаметр кипятильной тру­бы, м; выбирается для заданного типа аппарата по [10];

µ_вп - динамический коэффициент вязкости вторичного пара, Па-с; выбирается по параметрам пара из [3];

r_ВП - теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг;

∆t - полезная разность температур в данном аппарате, °С или К.

Таблица 2

Характеристики циркуляционного контура выпарных аппаратов

Обозна­чение ап­парата ГОСТ 1987-73	С в форму­ле (30)	H тр, м	L тр, м	Dтp, м	z M
Тип I Исполне­ние II:	0,064	0,6DK	0,785DK		0,35
Тип II Исполне­ние II:	0,068	1,5Dk	1,3DK + 0,6		0,72
Тип II Исполне­ние I:	0,083	0,6DK	0,75DK + 0,6		1,32

Обозначения в таблице 2:

H_ТР - высота трубопровода парорастворной смеси от­носительно верхней трубной решетки;

L_ТР - длина трубопровода парорастворной смеси;

D_tp - диаметр трубопровода парорастворной смеси;

ζ_м - суммарный коэффициент местных сопротивлений трубопровода парорастворной смеси;

D_K - диаметр корпуса греющей камеры.

Пределы применения формулы (30):

L/d = 60,5.. 150; δ/d = (6,5..8,2)∙10^-2;

f_ц/f₀ = 0,1..0,4; Pr_p = 1,43..21;

µ_p /µ_ВП = 17,9..357; r_вп /(cp ∙∆t) = 13,7..61;

ρ_вп/ρ_р =(7,35..119)10^-5; C = 0,064..0,083;

n = 12..150.

5. Определяют массовое паросодержание двухфазного потока на выходе из кипятильных труб

(31)

6. Вычисляют количество раствора, кг/с, поступающего в кипятильные трубы

(32)

7. Определяют площадь сечения трубного пучка аппа­рата, м2:

(33)

где z - число труб в греющей камере, шт.; ориентировочно выбирается по [10].

8. Находят массовую скорость двухфазового потока, кг/(м2∙с) по формуле

(34)

9. Определяют критерий Рейнольдса потока жидкости в конвективной зоне кипятильной трубы:

(35)

Если Re_р<2200, то переходят к другому варианту расчета, уменьшая число труб в греющей камере Z до тех пор, пока число

Re_р не станет больше или равным 2200.

10. В диапазоне 2200 ≤Re_p < 9000 коэффициент φ определяют как

(36)

Если Re_p > 9000, то принимают φ= 1.

11. Критерий Нуссельта вычисляется по формуле

(37)

Далее определяется коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К), со стороны раствора в зоне конвективного теплооб­мена:

(38)

12. Находят температуру стенки трубы со стороны кон­денсирующегося пара:

(39)

где t - температура греющего пара, °С (пример: для первой ступени t = t₁);

ϑ- температура кипения раствора (пример: для первой ступени ϑ= ϑ₀), °С.

13. Определяют температуру пленки конденсата:

(40)

14. Коэффициент А в зависимости от t_пл определяют по формуле.

(41)

15. Температурный напор «насыщенный пар-стенка» при конденсации вычисляют по соотношению

(42)

16. Коэффициент теплоотдачи при конденсации насы­щенного водяного пара, Вт/(м²К), рекомендуется вычислять по формуле

(43)

где r_ГР - теплота парообразования греющего пара, кДж/кг;

выбирается по параметрам пара из [3].

17. Усредненную температуру стенки трубы в конвек­тивной зоне определяют из выражения:

(44)

18. Для определения размеров конвективной зоны пред­варительно вычисляют следующие коэффициент

(45)

Здесь r_ВП в Дж/кг.

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

19. Вычисляют параметр двухфазного потока

(51)

где X - определяется по формуле (31).

Далее определяют структуру двухфазного потока в за­висимости от величины 1/X_tt и S по рисунку 2. Если при ки­пении имеет место туманообразный поток в трубах, который недопустим при работе выпарного аппарата, то нужно перейти к другому варианту расчета, увеличивая число труб в греющей камере или внутренний диаметр кипятильной трубы d.

20. Объемная доля жидкости R_p в двухфазном потоке и множитель, учитывающий потери давления в двухфазном потоке Ф_tt, определяют в зависимости от X_tt по формуле.

(52)

(53)

21. Определяют массовое паросодержание двухфазного потока, равное 1/3 от x: x₁ = x/3 =0,028/3 = 0,0096 и соответственно ему - параметр двухфазного потока

(54)

22. Объемную долю жидкости R’_p и множитель Ф’_tt определяют в зависимости от X_tt’ по формулам (52) и (53)

.

23. Определяют массовое паросодержание двухфазного потока, равное 2/3 от x: Х₂ = 2x/3=2*0,028/3 = 0,019, и соответственно ему - параметр двухфазного потока:

(55)

24. Объемную долю жидкости R”_р и множитель Ф_tt" определяют в зависимости от X"tt по формулам (52) и (53).

25. Вычисляют количество жидкой фазы, кг/с, на выхо­де из кипятильных труб:

(56)

26. Определяют диаметр трубопровода парорастворной смеси, так называемой трубы вскипания. В современных вы­парных аппаратах кипение раствора происходит непосредст­венно в трубе вскипания, установленной над греющей каме­рой. Кипение в трубах предотвращается за счет гидростатиче­ского давления столба жидкости в трубе вскипания [10]. Диаметр трубы, м

(57)

где f₀' - площадь поперечного сечения трубопровода паро- растворной смеси, м².

Принимается [9] fo = fo (формула (33)).

27. Критерий Рейнольдса для потока в зоне течения па- рорастворной смеси определяют по приведенной скорости жидкой фазы:

(58)

28. Коэффициент трения λ₀ для парорастворной смеси определяют в зависимости от Re_тp по следующим соотноше­ниям:

для любых труб в диапазоне 0 ≤ Re_тp ≤2300

(59)

для труб из меди, латуни и свинца при Re_тр > 2300

(60)

для труб из стали и чугуна при Re_тр > 2300

(61)

29. Критерий Рейнольдса для потока в зоне кипения оп­ределяют по приведенной скорости жидкой фазы:

(62)

30. Коэффициент трения λ_0В для потока в зоне кипения определяют в зависимости от Re_B по формулам (59) - (61).

31. Вычисляют коэффициенты для определения размеров конвективной зоны:

(63)

(64)

32. Плотность двухфазного потока раствора на выходе из кипятильных труб вычисляют по формуле:

(65)

33. Высоту трубопровода парорастворной смеси (трубы вскипания) H_тр = 0,48 м относительно верхней трубной решетки вы­бирают по типу аппарата из табл.2, где D_K = 0,8 м- диаметр кожуха греющей камеры аппарата, м, [10].

34. Определяют статические потери давления в трубо­проводе парорастворной смеси:

(66)

35. Сумму местных сопротивлений трубопровода паро- растворной смеси вычисляют по формуле

(67)

Здесь значения ζ_м выбирают из табл. 2 по принятому типу аппарата.

36. Потери давления на преодоление трения и местных сопротивлений в трубопроводе парорастворной смеси вычис­ляют по соотношению

(68)

где L_тр - длина трубопровода парорастворной смеси (выбирают по типу аппарата из табл.2).

37. Суммарные потери давления в трубопроводе паро- растворной смеси определяют по формуле

(69)

38. Вычисляют коэффициент в формуле для определе­ния размеров конвективной зоны:

(70)

39. Вычисляют потери давления на ускорение парорас-

творной смеси:

(71)

40. Находят усредненную по высоте зоны кипения плотность двухфазного потока, определяемую по массовому паросодержанию 1/3 от x,

(72)

41. Вычисляют коэффициенты для формулы определе­ния размеров конвективной зоны:

(73)

(74)

(75)

(76)

(77)

42. Определяют длину конвективной зоны кипятильной трубы, м:

(78)

Формулу (78) используют при расчете аппаратов, выпа­ривающих водные растворы в диапазоне изменения парамет­ров:

L/d = 60,5..150; µ_p/ µ_Н2О =1.1,4;

f_ц / f₀ =0,1..0,4; ρ_p/ρ_Н2О=1..1,45;

ζ_М=0,32..1,32; Р_В=0,12..3 бар(абс.);

Р₁=1,4..21 бар; ∆t=12..40⁰С.

Принимаем длину конвективной зоны кипятильной трубы 9 м.

43. Вычисляют длину зоны кипения:

(79)

44. Рассчитывают скорость потока на выходе из кипя­тильных труб, м/с

(80)

и скорость раствора в трубах, м/с

(81)

и далее среднюю логарифмическую скорость потока в трубах, м/с, по формуле:

(82)

45. Вычисляют коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне кипения, Вт/(м² К):

(83)

46. Вычисляют усредненное по длине трубы значение коэффициента теплоотдачи со стороны раствора, Вт/(м2К):

(84)

47. По формулам (25) или (27) определяют коэффици­ент теплопередачи в выпарном аппарате с естественной цир­куляцией при условии, что α₁ = α_Е = 6296,81 Вт/(м²К) и α₂= α_р = 207,55 Вт/(м²К).

Таблица 3. Значения коэффициентов теплоотдачи ступеней

Коэффициент теплоотдачи	I ступень	II ступень	III ступень
α1, Вт/(м2К)	6296,81	5185,29	4227,46
α2, Вт/(м2К)	207,55	574,93	332,02