Расчет толщины тепловой изоляции

3.2 Расчет толщины тепловой изоляции

 

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

α_в=(t_ст2-t_в)=(λ_и/δ_и)∙(t_cт1-t_cт2), (3.14)

где α_в=9,3+0,058∙t_ст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²∙К); t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха),°С;t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимаем равной температуре греющего пара t_г1 t_в - температура изоляции окружающей среды (воздуха),°С; λ_и - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м∙К). Рассчитаем толщину тепловой изоляции: при t_cт2=35

α_в=9,3+0,058∙35=11,33 Вт/(м²*К).

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии+15% асбест), имеющий коэффициент теплопроводности λ_и=0,09 Вт/(м*К). Тогда при t_cт1=142,9 °С, t(возд)=20 °С:

δ_и=λ_и∙(t_ст1-t_ст2)/(α_в∙(t_cт2-t_возд)).

δ_и=0,09∙(142,9-35)/(11,33∙(35-20))=0,057 м.

Примем толщину тепловой изоляции 0,055 м и для второго корпуса тоже.

4.   РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА

 

4.1 Тепловой баланс

Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве.Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве которого нагревается от 25 °С до 98 °С раствор CuSO₄. Тепловой поток, принимаемый исходной смесью и, соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром:

Q=G_н∙c₁∙(t_к-t_н), (4.1)

G - массовый расход жидкостной смеси, кг/с, с – средняя теплоемкость, Дж/кг∙с; t – начальная температура раствора, °С; t – конечная температура раствора, °С.

Q=5∙4029∙(98-25)=1531020 Вт

В качестве теплоносителя использовать насыщенный водяной пар с параметрами: t=142,9 °С.

По определенной по уравнению (4.1) тепловой нагрузке определяется расход второго теплоносителя c учётом потерь:

G=1,03∙Q/r (4.2)

где r – теплота конденсации пара.

G=1,03∙1531020/2141∙10³=0,7365 кг/с

4.2 Определение ориентировочной поверхности теплообмена

Для определения ориентировочной поверхности теплообмена служит формула:

F_op=Q/K_op∙∆t_ср.лог. (4.3)

Где К_ор – ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению; ∆t_{ср. лог} – среднелогарифмическая разность температур.

∆t_{ср лог}=[(t_г1-t_н1)-(t_г1-t_к1)]/ln[(t_г1-t_н1)/(t_г1-t_к1)] (4.4)

∆t_{ср лог}=[(142.9-25) – (142.9-98)]/2.69=76.8 ºC

F_op=1531020/800∙76.8=24.9 м²

 

4.3 Выбор теплообменника

Примем ориентировочное значение Re=15000 Что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Такой режим течения возможен в теплообменнике с числом труб, приходящихся на один ход: для труб диаметром d_н=20´2 мм. N/z=4∙G₁/p∙d∙Re_op∙m₁ (4.5)

N/z=4∙5/3,14∙0,016∙15000∙0,000552=48

Из табл.2.3 [2] выбираем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена F=31 м² и длиной труб l= 4 м, число ходов z=2; число труб n= 100, диаметром кожуха Dк=0,4м В трубное пространство направим подогреваемый раствор, в межтрубное - греющий пар.

4.4 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, (4.6)

где d – внутренний диаметр труб теплообменника, м; n- число труб, z- число ходов (см.табл.2.3.[2]).

Re₁ =4∙5/(3,14∙0,02∙(100/2)∙0,000552) = 10989.

Значение критерия Прандтля найдем по формуле:

Pr₁ = с₁∙μ₁/λ₁ (4.7)

Pr₁ = 4029∙0,000552/0,576=5,5.

Так как значение Re₁ равно 10989, то значение критерия Нусельта найдем по формуле:

Nu₁=0,021∙Re₁^0,8∙Pr₁^0,43∙(Pr₁/Pr_cт1)^0,25 (4.8)

Поправкой (Pr₁/Pr_cт1)^0,25 принебрегаем т.к. разница температур между жидкостью и стенкой невелика, меньше Δt_ср.

Nu₁=0,021∙10989 ^0,8∙5,5 ^0,4= 74,7 Вт/м∙К

Значение коэффициента теплоотдачи α₁ определим по формуле:

α₁= Nu₁∙λ₁/d (4.9)

α₁= 74,7∙0,4046/0,021 = 1439 Вт/м²∙К

Примем, что значение тепловых проводимостей стенки трубы со стороны пара 11600 Вт/м²∙К со стороны кипящего раствора 2900 Вт/м²∙К.

1/S=1/(1/11600+0,002/25,1+1/2900)=0,00051 Вт/м²∙К.

Найдём число Рейнолдса для газовой фазы:

Re_г=G_п∙d_вн/S_мтр∙∑δ/λ=0,7365∙0,025/0,017∙0,00051=2124 (4.10)

α₂=2,04∙ε∙λ_ст∙(ρ∙L n/G_пμ)^1/3 = 2,04∙0,7∙25,1∙(0,59²∙4∙100/0,7365∙0,001)^1/3 =4336

К=1/(1/2124+0,00051+1/4336)= 696,6 Вт/м²∙К.

Тогда требуемая поверхность теплопередачи:

F_тр=Q/(K∙Δt_ср)= 1531020/76,8∙696,6=28,6 м².

Из табл. 2.3 [2] выбираем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена. Расчёты подтверждают, что выбранный ранее теплообменник является оптимальним. Запас поверхности: ∆=(31-28,6)∙100/28,6=8,39 % (4.12) 4.5 Определение гидравлического сопротивления теплообменника

А) в трубном пространстве:

Скорость среды в трубах теплообменника:

ω_тр = 4∙G₁∙z/(3,14∙d²∙n∙ρ ₁) (4.13)

ω_тр = 4∙ 5∙2/(3,14∙(0,021)²∙100∙1023) =0,28 м/с.

Для определения коэффициента трения λ нужен Re среды. Re= 12800.

Коэффициент трения λ рассчитываем по формуле:

Т.к. диаметр кожуха выбранного теплообменника равен D_k= 600 мм, а число ходов z= 2, то диаметр условного прохода его штуцеров равен d_ш= 150 мм (см.табл.2.6.[2]).

Скорость потока в штуцерах:

ω _ш=4∙G_тр/(3,14∙ ρ_тр∙d _трш²)= 4∙ 5/(3,14∙ 1023∙(0,15)²)= 0,0,277 м/с. (4.14)

Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве имеет вид (формула(2.35) [2]):

ΔР_тр=, (4.15)

где L-длина труб теплообменника, м.

ΔР_тр= 1392 Па.

Б) В межтрубном пространстве:

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

m≈(n/3)^0.5=(100/3)^0.5≈6 (4.16)

Число сегментных перегородок х=14 (см. табл. 2.7[2]).

Диаметр штуцеров к кожуху d_мтр.ш=0,2 м, скорость потока в штуцерах:

 (4.17)

Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве ω_мтр определяется по формуле:

 (4.18)

ΔР_мтр=, (4.19)

ΔР_мтр=21234 Па.

5. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

5.1 Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20°С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающейся воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.