Расчет коэффициента теплопередачи

Выбор конструкционного материала

Определение тепловой нагрузки

Расход греющего пара определим путем решения уравнения теплового баланса [2]:

, (4.12)

где Q₁ – тепловая нагрузка, кВт;

D – расход греющего пара, кг/с;

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

Q_1конц – теплота концентрирования, кВт;

Так как нитрат натрия хорошо растворим в воде, кристаллизации раствора при концентрировании до 42 % происходить не будет, следовательно, теплотой концентрирования Q_1конц можно пренебречь по [2] страница 171.

Решив уравнение, получим D = 4,4806 кг/с; Q₁ = 10170,521 кВт.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NаNO₃ в интервале изменения концентраций от 7 до 42 %. В этих условиях можем использовать сталь коррозионно-стойкую обыкновенную марки 08Х22Н6Т. Скорость коррозии менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности l_ст = 15,9 Вт/(м К)[5].

Коэффициент теплопередачи К₁ определяем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

, (4.13)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки d_ст/l_ст, накипи d_н/l_н и термическому сопротивлению загрязнений со стороны пара r_з.п.

Получим:

Рассчитаем коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке:

, (4.14)

где – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

– плотность конденсата, кг/м³;

– теплопроводность конденсата, Вт/(м К);

– динамическая вязкость конденсата, Па с;

– высота кипятильных труб, м;

– разность температур конденсации пара и стенки, ºС.

Расчет ведем методом последовательных приближений. В первом приближении примем Dt₁ = 8,3 град:

Средняя температура пленки конденсата t_пл находим по формуле:

(4.15)

ºC.

При средней температуре пленки ºС получаем кг/м³, Вт/(м К), ·10^-3 Па с, Дж/кг [3].

5192,99 Вт/(м²∙К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

, (4.16)

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

Dt_ст – перепад температур на стенке, град;

Dt₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

5192,99 ∙ 8,3 ∙ 4,8578∙10^-4 = 21,2880 ºС, (4.17)

Тогда

33,96– 21,2880 – 8,3 = 3,6920 ºС. (4.18)

Коэффициент теплоотдачи a₂ от стенки к кипящему раствору при движении теплоносителя в прямых трубах круглого сечения без изменения агрегатного состояния определим по формуле [2]:

, (4.19)

где Re – критерий Рейнольдса для выпариваемого раствора;

Pr – критерий Прандтля;

Pr_ст – критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки

=95,14 – 21,2880– 8,3=65,552 °С. (4.20)

Физические характеристики растворов, входящие в критерии подобия, находим при средней температуре потока, равной:

, (4.21)

ºС.

Критерий Рейнольдса для выпариваемого раствора определим по формуле:

, (4.22)

где – скорость движения раствора в трубах (при принудительной циркуляции принимаем равной =2,2 м/с) [2];

– внутренний диаметр труб;

– плотность раствора, кг/м³;

– вязкость раствора, Па с;

[2]. При средней температуре раствора ºС получаем
кг/м³, Па с [4]

Критерий Прандтля находится по формуле:

= , (4.23)

где при концентрации раствора в аппарате 42 % масс значения физических параметров раствора равны: c_ср=2907 Дж/кг×К; m_ср=1,140×10^-3 Па×с; l_ср=0,624 Вт/м×К[4].

Pr= =5,3108.

Критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки t_ст2=66,2 °С;

Pr_ст = , (4.24)

l_ст2 = 0,628 Вт/м·К; m_ст2 = 1,084×10^-3Па×с, с_ст2 =2901,8 Дж/кг×К – соответственно теплопроводность, теплоемкость и вязкость раствора при температуре стенки t_ст2 [4].

Pr_ст= =5,0328.

Найдем коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору a₂ по формуле (3.19), где l=l_ср1=0,628 Вт/м·К[4]:

.

Проверим правильность выбранного Dt₁ по равенству удельных тепловых нагрузок:,

q₁=a₁Dt₁=5192,99·8,3=43101,82 ;

q₂=a₂Dt₂=11517,304·3,6920=42521,88 .

Как видим, q₁»q₂.

Определим расхождение между тепловыми нагрузками:

% =1,36 %

Поскольку оно не превышает 3%, расчет коэффициентов a₁ и a₂ на этом заканчиваем.
По формуле (4.13) рассчитываем коэффициент теплопередачи К₁

.

Дата добавления: 2015-04-25