Расчет выпарного аппарата

      t_кип - температура кипения продукта, ^оС;

r = 2336 кДж/кг - удельная теплота парообразования при давлении в аппарате (30 кПа), определяется по [3]: Таблица 11.

i_п = 2680 кДж/кг, i_к = 428.84 кДж/кг - энтальпия греющего пара и конденсата (при давлении 0.11 МПа), определяются по [3]: Таблица 11.

1.05 - коэффициент, учитывающий потери  тепла в окружающую среду (5%).

Температура кипения продукта определяется по формуле:

       ^оС, (2.4)

где: t_нас = 69.12 ^оС - температура насыщения при давлении в аппарате (30 кПа), определяются по [3]: Таблица 11.

^оС.

      Теплоемкость  продукта зависит от содержания сахара в растворе. При температуре кипения 71 ^оС и концентрации 12% теплоемкость с = 3630 Дж/кг К (определяется экстраполируя значения из [3]: Таблица 4), при концентрации 50% теплоемкость с = 3195 Дж/кг К (выбирается из [3]: Таблица 4). Так как в процессе выпаривания концентрация раствора постоянно изменяется, для дальнейшего расчета принимается среднее значение теплоемкости с = 3412 Дж/кг К.

      После подстановки полученных значений в  формулу 2.3 определяется расход греющего пара:

 кг/с.

      Площадь поверхности теплообмена определяется по формуле:

        м², (2.5)

где: Dt_ср - средняя разность температур, ^оС;

      k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К).

      Средняя разность температур определяется как  разница температуры пара (t_п = 102.32 ^оС, определяется по [3]: Таблица 11) и температуры кипения продукта:

 ^оС.

      Коэффициент теплопередачи определяется по приближенной формуле:

        Вт/(м²К), (2.6)

где: a₁ - коэффициент теплоотдачи от конденсируемого пара к стенке кипятильной трубы, Вт/(м²К);

a₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки кипятильной трубы к продукту, Вт/(м²К).

      Коэффициент теплоотдачи от конденсируемого  пара к стенке кипятильной трубы  определяется по формуле, полученной из критериальных уравнений в случае конденсации пара на вертикальных трубах:

        Вт/(м²К), (2.7)

где: r = 2251.2 кДж/кг - теплота конденсации пара, определяется по [3]: Таблица 11;

r = 958 кг/м³ - плотность конденсата, определяется по [3]: Таблица 12;

l = 0.683 Вт/мК - теплопроводность конденсата, определяется по [3]: Таблица 12;

      g = 9.81 м/с² - ускорение свободного падения;

      h =  Па с - коэффициент динамической вязкости конденсата;

Dt_ст = 4 ^оС - разница между температурой конденсации пара и средней температурой стенки, принимается в диапазоне 3 .. 5 ^оС ([3]:п 3.1.);

H = 5 м - высота кипятильной трубы, выбирается из соображений интенсификации естественной циркуляции продукта в выпарных аппаратах с выносной греющей камерой.  

 Вт/(м²К).

      Для определения коэффициента теплоотдачи  от стенки кипятильной трубы к  продукту можно воспользоваться  эмпирической формулой:

        Вт/(м²К), (2.8)

 Вт/(м²К).

      После подстановки полученных значений в  формулу 2.6 определяется коэффициент теплопередачи:

 Вт/(м²К)

      После подстановки полученных значений в  формулу 2.5 определяется площадь поверхности  теплообмена:

 м². 

2.3. Конструктивный расчет.

      Греющая камера представляет собой вертикальный одноходовой теплообменник. Диаметр  труб выбирается в зависимости от типа продукта, его концентрации, коэффициента вязкости. Для вязких жидкостей обычно принимают диаметры труб в диапазоне 25 .. 76 мм.

      Для данного расчета принимаются  трубы 45х2.5 с наружным диаметром d_н = 45 мм, при этом средний диаметр d_ср = 43.75 мм, а внутренний диаметр d_вн = 40 мм.

      Количество  труб, с учетом их размещения по вершинам правильного шестиугольника, определяется по формуле:

        (2.9)

      Ближайшее уточненное значение z = 217, при этом количество труб по диагонали шестиугольника a = 17.

      Шаг между осями соседних трубок в трубной решетке принимается в 1.25..1.3 раза большим внешнего диаметра труб, для дальнейшего расчета принимается t =  58 мм.

      Минимальная толщина трубной решетки определяется из соображений обеспечения надежной развальцовки труб по формуле:

        мм » 11 мм. (2.10) 

      Внутренний  диаметр кожуха греющей камеры определяется по формуле:

        м. (2.11)

      В месте подсоединения патрубка, через  который подается греющий пар, диаметр  кожуха может увеличиваться, размер определяется конструктивно.

      Так как данный выпарной аппарат является аппаратом периодического действия и известно время цикла и производительность по влаге, можно определить массу продукта в начале и в конце цикла. Масса продукта в начале выпаривания цикла определяется по формуле:

        кг. (2.12)

      Масса продукта в конце цикла выпаривания определяется по формуле:

        кг. (2.13)

      Зная  плотности продукта в начале и в конце цикла выпаривания r_н = 1020 кг/м³, r_к = 1205 кг/м³ ([3]: Таблица 4), объем, занимаемый продуктом, в начале и в конце цикла определяется по формулам:

        м³. (2.14)

        м³. (2.15)

      При разработке конструкции аппарата следует  учесть, что аппарат должен вмещать  начальный объем продукта, а также  внутренний объем трубной решетки  должен быть меньше конечного объема продукта для обеспечения его циркуляции.

      Площадь поперечного сечения внутренней части трубной решетки определяется по формуле:

        м². (2.16)

      Внутренний  объем трубной решетки определяется по формуле:

        м³. (2.17)

      Диаметры  всех патрубков определяются по формуле

        м, (2.19)

где: G - расход пара или жидкости, кг/с;

      n - скорость пара или жидкости, м/с;

      r - плотность пара или жидкости при соответствующей температуре, кг/м³.

      Определяется  диаметр патрубка для подачи греющего пара при: скорости пара 25 м/с (выбирается из диапазона 20 .. 40 м/с), плотности пара r = 0.645 кг/м³ ([3]: Таблица 11), расходе пара D = 1.197 кг/с.

 м.

      Из  стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 325 х 4.

      Аналогично  определяется диаметр патрубка для  отвода вторичного пара при следующих  параметрах: скорость пара 30 м/с (выбирается из диапазона 20 .. 40 м/с), плотность пара r = 0.191 кг/м³ ([3]: Таблица 11), расход пара W = 1.0 кг/с.

 м.

      Из  стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 500 х 6.

      Диаметр патрубка для отвода конденсата определяется по формуле 2.19 при следующих параметрах: скорость конденсата 1 м/с (выбирается из диапазона 0.1 .. 2 м/с), плотность конденсата r = 958 кг/м³ ([3]: Таблица 4), расход конденсата равен расходу пара D = 1.197 кг/с.

 м.

      Из  стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 45 х 2.5.

      Диаметр патрубков для загрузки исходного и отбора готового продукта должны обеспечивать наиболее быстрый процесс загрузки и выгрузки.

      В данном случае время загрузки принимается t_з = 15 мин, при этом расход продукта составит:

        кг/с (2.20)

      Диаметр патрубка для загрузки продукта определяется по формуле 2.19 при следующих параметрах: скорость продукта 2 м/с (выбирается из диапазона 0.1 .. 2 м/с), плотность продукта r = 1020 кг/м³ ([3]: Таблица 4), расход продукта G_з = 12.72 кг/с.

 м.

      Из  стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 95 х 3.

      Для унификации диаметр разгрузочного  патрубка принимается равным диаметру загрузочного, при этом время разгрузки  определяется по формуле:

       с. (2.21)

      При скорости продукта n = 1.2 м/с и его плотности r = 1205 кг/м³ время разгрузки составит:

с » 5 мин.

      Объем парового пространства определяется по формуле:

       м³, (2.22)

где: s_атм = 1000 кг/(м³ч) - допустимое напряжение парового пространства для воды;

      f₁ = 0.85 - коэффициент зависящий от давления вторичного пара ([4]: стр.129);

f₂ = 1.0 - коэффициент зависящий от уровня раствора над точкой ввода парожидкостной смеси ([4]: стр.129).

 м³.

      Площадь сепарационного устройства определяется по формуле:

       м², (2.23)

где: r_п = 0.191 кг/м³ - плотность вторичного пара;

      n_п = 2 м/с - скорость вторичного пара в сепараторе.

м².

      Диаметр сепаратора определяется по формуле:

       м. (2.24)

      Высота  парового пространства определяется по формуле:

       м. (2.25)

      Высота  сепаратора определяется из расчета  размещения начального объема продукта и парового пространства по формуле: