Определение коэффициентов теплопередачи в выпарных аппаратах МВУ

Для расчета выпарных аппаратов с цилиндрическими кипятильными трубками, толщина стенок которых не более 2,5¸3 мм, можно пользоваться формулой :

; (24)

где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к наружной стенке трубы, Вт/(м²×К);

- коэффициент теплоотдачи от стенки к выпариваемому раствору, Вт/(м²×К);

- толщина стенки кипятильной трубы, м.

- коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м×К);

- термическое сопротивление загрязнений с обеих сторон кипятильной трубы, (м²×К)/Вт. Значение выбирают по экспериментальным данным [8,2,20], но если известны толщины отложений на внутренней и наружной поверхностях и их коэффициенты теплопроводности и , то вычисляют по формуле :

(25)

- термическое сопротивление оксидной пленки (учитывается только для труб из углеродистой стали).

Часто расчетный коэффициент теплопередачи вычисляют по формуле :

; (26)

где - коэффициент теплопередачи, найденный по формуле [24] в случае, когда ;

- поправочный коэффициент на загрязнение, величина которого находится в пределах от 0,7 до 0,9 в зависимости от количества отложений и их теплопроводности.

При кипении раствора, движущегося внутри трубы, имеют место две зоны теплообмена и гидродинамики.

а) 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. Это так называемая конвективная зона.

б) Зона развитого кипения.

Методика расчета теплопередачи при пузырьковом кипении в трубе [9] рекомендует следующий его порядок:

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

2. Определяют размер, пропорциональный отрывному диаметру парового пузыря :

; (27)

 

где - коэффициент поверхностного натяжения для раствора, H/м. Определяется по концентрации и температуре выпариваемого раствора из [4] :

 

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

 

- плотность вторичного пара, определяется по давлению вторичного пара из [3] :

- ускорение свободного падения,

 

 

3. Определяют число Прандтля для раствора по формуле:

(28)

где - изобарная теплоемкость раствора:

 

- динамический коэффициент вязкости раствора :

 

 

- теплопроводность раствора :

 

Указанные теплофизические свойства и число Прандтля определяют по концентрации и температуре раствора в данной ступени из [4] :

 

 

4.Кратностью циркуляции называют отношение количества раствора, кг/ч, циркулирующего в контуре выпарного аппарата, к паропроизводительности аппарата . Определяется по формуле:

(29)

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

 

Таблица 2 - Характеристики циркуляционного контура выпарного аппарата

Обозначение аппарата ГОСТ 1987-73	С в формуле (34)	Htp, м	Ltp, м	Dtp, м	zМ
Тип II Исполнение II:	0,068	1.5Dк	1.3Dк+0.6		0,72

 

- длина и внутренний диаметр кипятильной трубы, м. Выбирается для заданного типа аппарата по [10];

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

 

 

- теплота парообразования вторичного пара :

 

 

- полезная разность температур в данном аппарате, °С или К. Пределы применения формулы (34):

 

n = ;

n =

n =

n =

 

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

(30)

6. Вычисляют количество раствора, поступающего в кипятильные трубы :

; (31)

7. Определяют площадь сечения трубного пучка аппарата

; (32)

где - число труб в греющей камере, шт; ориентировочно выбирается по [10]; z=1580.

 

8. Находят массовую скорость двухфазового потока по формуле :

; (33)

 

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

(34)

Если , то переходят к другому варианту расчета, уменьшая число труб в греющей камере до тех пор, пока число не станет больше или равным 2200. Если , то коэффициент принимают :

 

10. Принимаем поправку на компановку труб:

 

11. Число Нуссельта вычисляется по формуле :

; (35)

;

 

Далее определяется коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне конвективного теплообмена:

(36)

12. Находят температуру стенки трубы со стороны конденсирующего пара:

(37)

где - температура греющего пара, ºС;

_В – температура кипения раствора, ºС;

 

 

13. Определяют температуру пленки конденсата:

(38)

14. По табл. 4 в зависимости от выбирают коэффициент А, т.е. :

Таблица 4 - Коэффициент А для воды в зависимости от

0C 0C
А

 

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

(39)

 

16. Коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара рекомендуется вычислять по формуле :

(40)

где - теплота парообразования для греющего пара, кДж/кг; выбирается по параметрам пара из таблиц [3] :

 

 

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

(41)

 

18. Для определения размеров конвективной зоны предварительно вычисляют следующие коэффициенты:

а) (42)

Здесь в Дж/кг.

 

б) (43)

м;

в) (44)

г) (45)

 

д) (46)

 

е) . (47)

 

19. Вычисляют параметр двухфазного потока :

; (48)

и далее определяют структуру двухфазного потока в зависимости от величины и по рис. 12источник /1/. 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 .

I,II,III,IV,V-пузырьковый поток.

20. Объемная доля жидкости в двухфазном потоке и множитель, учитывающий потери давления в двухфазном потоке , определяют в зависимости от по графикам рис.13.

 

21. Определяют массовоепаросодержание двухфазного потока, равное 1/3 от : и соответственно ему – параметр двухфазного потока

x =0,00699;x =0,01419;x =0,02051;x =0,02293

(49)

 

22. Объемную долю жидкости и множитель определяют в зависимости от по графикам рис.13 :

 

 

23. Определяют массовоепаросодержание двухфазного потока, равное 2/3 от : , и соответственно ему – параметр двухфазного потока:

x =0,00699;x =0,01419;x =0,02051;x =0,02293;

(50)

 

24. Объемную долю жидкости и множитель определяют в зависимости от по графикам рис.13 :

25. Вычисляют количество жидкой фазы на выходе из кипятильных труб:

; (51)

 

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] :

(52)

где - площадь поперечного сечения трубопровода парорастворной смеси, м². Принимается [9] :

 

м;

 

27. Число Рейнольдса для потока в зоне течения парорастворной смеси определяют по приведенной скорости жидкой фазы:

; (53)

 

28. Коэффициент трения для парорастворной смеси определяют в зависимости от по графикам рис.14, т.е. .

 

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

(54)

 

 

30. Коэффициент трения для потока в зоне кипения определяют в зависимости от по графикам рис.14, т.е. .

 

 

31. Вычисляют коэффициенты для определения размеров конвективной зоны:

а) (55)

 

 

б) ; (56)

 

 

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

(57)

 

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

34. Определяют статические потери давления в трубопроводе парорастворной смеси:

(58)

 

35. Сумму местных сопротивлений трубопровода парорастворной смеси вычисляют по формуле :

. (59)

 

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

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

(60)

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

 

37. Суммарные потери давления в трубопроводе парорастворной смеси определяют по формуле :

. (61)

 

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

; (62)

 

39. Вычисляют потери давления на ускорение парорастворной смеси:

(63)

 

40.Находят усредненную по высоте зоны кипения плотность двухфазного потока, определяемую по массовомупаросодержанию 1/3 от :

. (64)

 

41. Вычисляют коэффициенты для формулы определения размеров конвективной зоны:

а) ; (65)

Y = ,кг/м ;

Y = ,кг/м ;

Y = ,кг/м .

Y = кг/м .

б) ; (66)

I = ,кг/м ;

I = ,кг/м ;

I = ,кг/м ;

I = ,кг/м ;

 

в) ; (67)

 

г) ; (68)

а = ,м;

а = ,м;

а = ,м.

а = ,м.

 

д) ; (69)

в = ,м ;

в = ,м ;

в = ,м .

в = ,м .

 

42. Определяют длину конвективной зоны кипятильной трубы:

 

; (70)

 

Формулу (75) используют при расчете аппаратов, выпаривающих водные растворы в диапазоне изменения параметров:

;

43. Вычисляют длину зоны кипения:

; (71)

44. Рассчитывают скорость потока на выходе из кипятильных труб :

 

(72)

 

v = ,м/с;

v = ,м/с;

v = ,м/с.

v = ,м/с.

 

и скорость раствора в трубах :

; (73)

 

v = ,м/с;

v = ,м/с;

v = ,м/с.

v = ,м/с.

 

и далее среднюю логарифмическую скорость потока в трубах по формуле:

; (74)

v = ,м/с;

v = ,м/с;

v = ,м/с .

v = ,м/с .

 

 

45. Вычисляют коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне кипения:

; (75)

46. Вычисляют усредненное по длине трубы значение коэффициента теплоотдачи со стороны раствора:

(76)

47. По формулам (29) или (31) определяют коэффициент теплопередачи в выпарном аппарате с естественной циркуляцией при условии, что и

 

Определяем расчетный коэффициент теплопередачи:

где =0,8 :