3.1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

ΣΔtп=Δtп1+ Δtп2

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

Δtп1=tг1-tкl=142,9-122,82=20,08°С

Δtп1=tг1-tкl=120, 3-63,29=57,01°С

Тогда общая полезная разность температуры равна:

ΣΔtп=20,08+57,01=77,09 °С.

Проверим общую полезную разность температуры:

ΣΔtп=tг1-tбк-(ΣΔ'+ΣΔ"+ΣΔ'")=142,9-47,42-(0,66+15,73+2)=77,09°С

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

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

Q1=D∙(Iг1-i1)=1,03∙[Gн∙Сн∙(tк1-tн)+w 1∙(Нвп1-Св∙tк1)+Qконц1]; (3.6)

Q2= w1∙(Iг2-i2)=1,03∙[(Gн- w1)∙С1∙(tк2-tк1)+w 2∙(Iвп2-Св∙tк2)+Qконц2]; (3.7)

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

Сн, С1 - теплоемкости растворов соответственно исходного и в первом корпусах. кДж/(кг*К); Сн =4.14кДж/(кг*К), С1=3.994кДж/(кг*К).Св- теплоемкость воды, кДж/(кг*К).;tн - температура кипения исходного раствора при давлении в корпусе,0С; D- расход греющего пара, кг/с;

При решении уравнения можно принять:

Iвп1 ≈ IГ2; Iвп2 ≈ Iбк;

Qконц1, Qконц2-теплоты концентрирования по корпусам, кВт; так как эти величины имеют небольшое значение, то ими пренебрегаем.

Q1=D∙(2744-104.6)=1,03∙[5∙4.14∙(122.82-122.6)+w1∙(2711-4,19∙122.82)]

Q2=w1∙(2711-516.1)=1,03[(5-w1)∙3,994∙(63.29-122.82)+w2∙(2585-4.19∙63.29)]

W=w1+w2=3.95

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D=2.384 кг/с; w1=1.859 кг/с; w2=2.091 кг/с;

Q1=6292 кВт; Q2=4080 кВт

Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1

3.1.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора CuSO4 интервале изменения концентраций от 4 %, до 19 % [6]. Легированные стали с содержанием никеля являются нестойкими в среде растворов CuSO4. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17 (5 балл стойкости). Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λст=25,1 Вт/(м∙К).

3.1.6 Расчет коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

К1=(1/α1+Σδ/λ+1/α2)-1. (3.8)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δст/λст и накипи δн/λн

Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Σδ/λ=δст/λст+δн/λн (3.9)

где δст, δн - толщина стенки, толщина слоя накипи, м.

при δст=0,002 м.

при δн=0,0005 м.

где λст, λн - коэффициент теплопроводности стенки и накипи, Вт/(м∙К).

при λст=25,1 Вт/(м*К).

при λн=2 Вт/(м*К).

Σδ/λ=0,002 /25,1+0,0005/2=2,87 ∙10-4 м2*К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке α1 равен:

α1=2,04∙((r1∙ρж12∙λж13)/(μж1∙Н∙Δt1))1/4. (3.10)

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

рж1, λж1, μж1 - соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность Вт/(м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки:

tпл=tг1-Δt1/2

где Δt1 - разность температур конденсации пара и стенки, °С.

Расчет α1 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Δt1=2 °С. Тогда

tпл=142.9-2/2=141,9°С.

α1=2,04∙(2144∙103 ∙10322∙0,4083/0,19∙10-3∙4∙2)1/4=6484 Вт/(м2∙К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q=α1∙Δt1=Δtст/(ΣΔδ/λ)=α2∙Δt2, (3.11)

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/кв.м;Δtcт - перепад температур на стенке, °С;Δt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.

Отсюда:

Δtст=α1∙Δt1∙(Σδ/λ)=6484∙2∙2,87∙10-4 =3,72°С.

Тогда

Δt2=Δtп1-Δtст-Δt1=20,08-3,72-2=16,36°С.

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

α2=А∙(q0,6)=780∙(q0,6)∙(λ11,3)∙(ρ10,5)∙(ρп10,06)/((с10,3)∙(σ10,5)∙(гв10,6)∙(ρ00,66)∙(μ10,3))(3.12)

По справочной литературе определяем:

λ1=0,4159 Вт/(м∙К); ρ1=1068 кг/м3; ρп1=1,22 кг/м3; σ1=0,067 Н/м; гв1=2200∙103 Дж/кг; ρ0=0,529 кг/м3; с1=4095 Дж/кг∙К; μ1=0,265∙10-3 Па∙с

Подставив эти значения, получим:

α2=780∙(q0,6)∙0,41591,3∙10680,5∙1,220,06/0,0670,5∙(2200∙103)0,6∙0,5290,66∙

40950,3∙(0,265∙10-3)0,3=7,408∙(6484)0,6=1435 Вт/(м2∙К)

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q1=α1∙Δt1=6484∙2=12968 Вт/кв.м

q2=α2∙Δt2=1435∙16,36=2348 Вт/кв.м

q1≠q2

Для второго приближения примем Δt1=5,0 град

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 3,0 град, рассчитаем α1 по соотношению:

α1=6484∙(2/5)1/4=5156 Вт/(м2∙К)

Получим:

Δtст=5156∙5∙2,87∙10-4=7,4 град;

Δt2=20,08-5-7,4=7,68 град;

α2=7,408*(5156∙5)0,6=3285 Вт/(м2∙К)

q1=5156∙5=25780 Вт/м2

q2=3285∙7,68=25229 Вт/м2

q1≈q2

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, следовательно, расчет коэффициентов α1 и α2 на этом можно закончить.