Дана курсова робота націлена на закріплення та поглиблення знань, придбаних при вивченні дисципліни "Тепломасообмінні процеси та апарати", а також на розвиток навичок при розв'язанні конкретних інженерних задач та оформленні технічної документації.

Задача курсової роботи - виконання теплового розрахунку багатокорпусної випарної установки (БВУ), конструктивного розрахунку окремого корпусу БВУ, а також барометричного конденсатора.

Курсова робота містить розрахункову та графічну частини. У розрахунковій частині визначається теплопродуктивність та поверхня нагріву кожного корпусу БВУ, конструктивні розміри окремого корпусу БВУ, та основні розміри барометричного конденсатора. Графічна частина складається зі схеми БВУ та загального вигляду барометричного конденсатора.

Рис.1 - Схема багатокорпусної випарної установки

1. Вихідні дані для розрахунку

Розчин
		%	%
	4500	3	27	37	0,4	0,025	30/33	1,1	1,2	2,2

2. Розрахунок багатокорпусної випарної установки (БВУ)

2.1 Визначення кількості розчинника, що підлягає випарюванню

Кількість розчинника (води), що підлягає випарюванню у БВУ, визначається за формулою:

де - масова витрата розчину перед БВУ, ;

- початкова концентрація розчину (перед БВУ), ;

- кінцева концентрація розчину (після БВУ), .

Виконаємо розподіл кількості випареного розчинника по корпусах БВУ у співвідношеннях:

Тобто

2.2 Визначення концентрацій розчину по корпусах БВУ

Концентрація розчину після -го корпусу БВУ можна визначити за формулою:

Кількість розчину після -го корпусу визначимо за формулою:

2.3 Визначення розподілу тиску по корпусах БВУ

Різниця між тиском гріючої пари у першому корпусі та тиском вторинної пари у барометричному конденсаторі:

де - тиск граючої пари у першому корпусі, ;

- тиск вторинної пари у барометричному конденсаторі, .

Визначимо розподіл тиску по корпусах БВУ:

Додаток тиску між сусідніми корпусами БВУ можна прийняти таким:

де - кількість корпусів БВУ.

2.4 Визначення температури кипіння розчину в апараті БВУ

Визначимо температури кипіння розчину:

де - температура вторинної пари -го корпусу (визначається за тиском пари у апараті ), ;

- температурна депресія розчину у -го корпусі, .

Температурна депресія розчину складається з фізико-хімічної температурної депресії (), гідростатичної температурної депресії (), гідравлічної температурної депресії ():

Фізико-хімічна температурна депресія визначається залежно від величини кінцевої концентрації розчину та тиску у випарному апараті. Якщо процес відбувається під тиском, що відрізняється від атмосферного, використовують залежність:

де - фізико-хімічна температурна депресія при тиску , ;

- температура кипіння чистого розчинника при тиску в апараті, .

Гідростатичну () та гідродинамічну () депресії можна прийняти такими:

2.5 Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі

Коефіцієнт теплопередачі для гріючої камери випарного апарата:

де - коефіцієнт тепловіддачі від конденсуючої пари до стінок гріючої камери випарного апарата, ;

- коефіцієнт тепловіддачі від стінок гріючої камери випарного апарата до киплячого розчину, ;

- товщина стінки гріючої камери випарного апарата, ;

- товщина шару накипу на стінках гріючої камери випарного апарата, ;

- теплопровідність матеріалу труб гріючої камери випарного апарата, ;

- теплопровідність шару накипу на стінках гріючої камери випарного апарата,;

Коефіцієнт тепловіддачі від конденсуючої пари до стінок гріючої камери випарного апарата:

де - температурний напір між гріючою парою та стінкою гріючої камери випарного апарата , : ;

- висота трубок гріючої камери випарного апарата, .

Коефіцієнт тепловіддачі від стінок гріючої камери випарного апарата до киплячого розчину:

де - теплопровідність розчину, ;

- внутрішній діаметр трубок гріючої камери випарного апарата, .

Значення критерію Нуссельта для теплообміну між стінкою гріючої камери випарного апарата та розчином:

Значення критерію Прандтля для розчину, що рухається по трубках гріючої камери випарного апарата:

Значення динамічної в'язкості води та густини розчину:

Значення кінематичної в'язкості розчину:

Теплоємність розчину при початковій концентрації:

;;

Теплопровідність розчину:

;;

Значення числа Рейнольдса для розчину, що рухається по трубках гріючої камери випарного апарата:

2.6 Визначення теплопродуктивності корпусів БВУ

Теплова продуктивність випарного апарата визначається за формулою:

де - питома витрата гріючої пари -го корпусу, розчину;

- кількість розчину -го корпусу, що надходить на випарювання, ;

- ентальпія гріючої пари -го корпусу (визначається за тиском гріючої пари), ;

- ентальпія конденсату гріючої пари -го корпусу (визначається за тиском гріючої пари), .

Питома витрата гріючої пари визначається за формулою:

де - питома кількість води, що належить випарити у -му корпусі (віднесена до 1 розчину), розчину.

Питома кількість випареного розчинника (води):

де - кількість води, що випаровується у -му корпусі, ;

- початкова витрата розчину для -го корпусу, ;

- теплоємність розчину при початковій концентрації у -му корпусі, ;

- коефіцієнт самовипарення у -му корпусі (кількість розчинника, що був випарений завдяки різниці температур розчину перед апаратом та температурі розчину в апараті), розчину,

- коефіцієнт випаровування (кількість розчинника, що був випарений завдяки теплоті, яка була підведена гріючою парою), розчину,

- температура розчину перед випарним апаратом, ;

- ентальпія вторинної пари (визначається за тиском в апараті), ;

- теплоємність води при температурі , .

Теплоємність розчину при початковій концентрації визначається за формулою:

2.7 Визначення корисної різниці температур по корпусах БВУ за варіантом однакової між корпусами БВУ поверхні теплообміну

Температурний напір для кожного корпусу БВУ можна визначити за формулою:

де - загальний (повний) температурний напір БВУ, , визначається за формулою:

де - загальна різниця температур по БВУ, , визначається за формулою:

де - температура гріючої пари у 1-му корпусі БВУ, ;

- температура вторинної пари у барометричному конденсаторі, ;

- сумарна температурна депресія по корпусах БВУ, , визначається за формулою:

2.8 Визначення поверхні нагріву корпусів БВУ

Поверхня випарного апарата визначається із рівняння теплопередачі:

3. Конструктивний розрахунок корпусу БВУ

Конструктивний розрахунок виконується з метою визначення основних розмірів апарату і вибору загальної компоновки.

У якості випарного апарату обрана випарна установка з примусовою циркуляцією розчину (вид випарного апарату з основними розмірами наведений у додатку 1). Основними вузлами апарату є: 1 - трубчастий теплообмінний апарат; 2 - випарна камера (паровий простір); 3 - сепаратор; 4 - циркуляційна труба; 5 - циркуляційний насос. Розчин у циркуляційний контур забирається з нижньої частини випарної камери, де його температура найменша. Розділу температурних шарів розчину сприяє розвинута зливна труба, з якої нагріта у теплообміннику рідина надходить у верхній шар розчину. Пара на виході із випарного апарату відокремлюється від крапель у сепараторі.

Нагрів розчину здійснюється насиченою парою - при її конденсації у між трубному просторі теплообмінника.

Для урахування запасу продуктивності випарного апарату конструктивну величину його поверхні теплообміну приймають більше розрахункової на 20 %.

Кількість трубок у корпусі гріючої камери випарного апарату:

де - розрахунковий діаметр трубок, визначається в залежності від співвідношення коефіцієнтів тепловіддачі та :

де - внутрішній діаметр трубки (із завдання), .

Площа прохідного перерізу для середовища, що рухається в середині трубок:

Витрата розчину у трубках:

Діаметр корпуса гріючої камери випарного апарату визначають за формулою:

де - відносний шаг розміщення трубок, ;

- зовнішній діаметр трубки гріючої камери випарного апарату, ;

- коефіцієнт заповнення трубної дошки трубками, ;

- кут, який залежить від розташування трубок, при розташуванні трубок по вершинам правильного шестикутника (найбільш раціональна розмітка) .

Діаметр парової камери вибирають таким:

Швидкість пари у паровому об'ємі:

де - об'ємна витрата пари, , визначається за формулою:

де - густина пари (визначається за тиском вторинної пари в апараті), .

Швидкість витання часток рідини:

де - густина розчину (рідини), ;

- середній діаметр крапель рідини, ;

- коефіцієнт, що залежить від числа Рейнольдса,

де - в'язкість пари, .

Так при :

Висота парового об'єму:

де - кількість розчинника, що було випарена за годину, ;

- допустиме навантаження на одиницю довжини парового об'єму.

Швидкість пари на виході із трубок:

Діаметр рециркуляційної труби визначається за формулою:

4. Розрахунок барометричного конденсатора

Для утворення розрядження в останніх корпусах БВУ використовуються конденсатори змішувального типу. В таких конденсаторах забезпечується розвита поверхня контакту та достатній час стикання пари з охолоджуючою водою.

На виробництві використовуються різні типи конденсаторів: з паралельною течією води та пари, струминний конденсатор, але широке розповсюдження знайшли конденсатори високого рівня - барометричні. У таких конденсаторах холодна вода надається у верхню частину де завдяки форсункам розбризкується і каскадами стікає з полиці на полицю. Пара підводиться під нижню полку і рухаючись уверх конденсується на водяних завісах між полицями. Відстань між полицями скорочується знизу до верху, так як зменшується, за рахунок конденсації, кількість пари.

Загальний тиск у конденсаторі дорівнює сумі парціального тиску водяної пари та повітря (газів). Тому для підтримання необхідного розрядження треба постійно відводити повітря. Це здійснюється спеціальними насосами із того місця конденсатора де робоча температура мінімальна, це об уславлюється тим, що при мінімальній температурі середовища масова витрата, а тобто продуктивність насосу буде мінімальна.

Відвід конденсату здійснюється само течією крізь барометричну трубу, що занурена у сосуд (ящик) з водою, вона також служить гідро затвором. Стовп конденсату у барометричній трубі урівноважується силами тяготіння та зовнішнього тиску, тому треба правильно вибирати довжину барометричної труби.

Витрата охолоджуючої води визначається за формулою:

де - кратність охолодження, визначається за формулою:

де - температура охолоджуючої води на вході у конденсатор, , приймається в діапазоні ;

- теплоємність охолоджуючої води на вході у конденсатор, ;

- теплоємність конденсату на виході з конденсатора, ;

- температура конденсату на виході з конденсатора, , визначається за формулою:

де - температура насичення у конденсаторі (вибирається за тиском у конденсаторі який приймається трохи нижче ніж тиск вторинної пари в останньому апараті БВУ);

- поправка внаслідок не досконалості теплопередачі, приймається .

Діаметр конденсатора:

де - кількість пари, що надходить до конденсатору, ;

- швидкість пари у конденсаторі, , приймаємо .

Діаметр барометричної труби визначається з розрахунку на пропуск конденсату:

де - швидкість витоку конденсату із конденсатора, , приймають ;

- густина конденсату (визначається при температурі ), .

Висота водяного стовпа, що забезпечує потрібний вакуум:

де - тиск у конденсаторі,

Втрата напору на тертя та місцеві опори у барометричній трубі визначаються за формулою:

де - довжина барометричної труби, ; приймається ;

- коефіцієнт тертя при значеннях , який можна визначити за формулою Нікурадзе:

Число Рейнольдса визначається за формулою:

де - кінематична в'язкість конденсату на виході із конденсатора, .

Поправка, що враховує можливі коливання рівня вакууму у конденсаторі становить:

Повна висота барометричної труби визначається за формулою:

Висновки по роботі

В ході виконання даної курсової роботи з дисципліни "Тепломасообмінні процеси та апарати", метою якої було закріплення та поглиблення знань придбаних впродовж семестру, був проведений тепловий розрахунок багатокорпусної випарної установки (БВУ), конструктивний розрахунок третього корпусу БВУ, а також розрахунок барометричного конденсатора.

Розрахунок проводився для розчину , котрий випарювався в установці від початкової концентрації до кінцевої . Доводилось визначати кількість розчинника, що підлягав випарюванню, концентрації розчину по корпусах БВУ, розподіли тисків, а також температури кипіння розчину в апараті БВУ.

В процесі виконання курсової роботи була визначена теплопродуктивність та поверхня нагріву кожного корпусу випарної установки, було розраховано конструктивні розміри третього корпусу та основні розміри барометричного конденсатора - кратність охолодження, діаметр конденсатора, діаметр барометричної труби та її висоту.

Виконання даної курсової роботи дозволило більш докладно і поглиблено вивчити багатокорпусні випарні установки, зокрема сам процес випарювання, та закріпити придбані знання з дисципліни "Тепломасообмінні процеси та апарати".

Список використаної літератури

1. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. - М.: Энергия, 1972 г.;

2. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. - М.: Энергия, 1970 г.;

3. Таубман Е.И. Выпаривание. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1982 г.;

4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип - М.: Энергия, 1977 г.;

5. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - М.: Энергия, 1980 г.