Сайт нуждается в вашей поддержке!
Категории сайта

Примеры расчета опреснительных установок на судне

Присоединяйтесь к нашему ТГ каналу!

Опреснительные установки, также известные как установки для очистки воды, играют важную роль в обеспечении качественной питьевой водой и водой для промышленных нужд. Расчет опреснительных установок является важным этапом проектирования и обеспечивает оптимальное функционирование системы. В данном материале рассмотрим примеры расчета опреснительных установок различных типов.

В зависимости от конкретных условий и требований, расчеты опреснительных установок могут значительно различаться. Однако в каждом случае они направлены на обеспечение надежного и эффективного обеспечения водой на судне.

Расчет утилизационного опреснителя

Выбор основных параметров и конструктивных размеров. Как показывают испытания и опыт эксплуатации ряда конструкций опреснителей рассматриваемого типа на Современные транспортные суда различного назначениясудах российского флота, достижимый в этих конструкциях тепловой поток, длительность работы между очистками от накипи, а также габаритные размеры и главным образом высота во многом предопределяются выбором таких параметров, как коэффициент подачи питательной воды, высота нагревательной батареи, давление вторичного пара и скорость его подъема, организация движения испаряемой воды. Остальные размеры находятся расчетом.

Основные мотивы, определяющие выбор важнейших характеристик опреснителя и, в частности, длины трубок нагревательной батареи или ее высоты Hб, – необходимость получить возможно большее значение теплового потока q1 = dλ∆tст. в и стремление уменьшить отложения накипи. Чем больше высота батареи, тем больше гидростатическая депрессия, возрастающая по мере углубления вакуума и снижающая эффективную разность температур между стенкой трубки и кипящей водой ∆tст. в. Так, при давлении 0,06 ата повышение Hб от 0,4 до 0,8 м приводит к увеличению гидростатической депрессии в средней части трубок на 4 град, что соответствует уменьшению ∆tст. в на 40-45 %. Но наряду с этим при увеличении высоты батареи затрудняется всплывание паровых пузырьков и, следовательно, повышается среднее по высоте паросодержание кипящей воды в трубках, уменьшается толщина пристенного слоя воды и улучшается теплоотдача.

Совместным влиянием этих факторов обусловлено существование некоторого оптимального значения Hб, при котором произведение α2∆tст. в максимально.

Что касается условий образования накипи, то главными факторами, влияющими на этот процесс при весьма малых температурах и концентрациях рассола, характерных для глубоковакуумных испарителей, следует признать паросодержание смеси и время задержки рассола. Чем меньше обе эти величины, тем менее вероятно образование накипи.

Ввиду весьма большого удельного объема пара в глубоковакуумных вертикально-трубных испарителях можно ожидать возникновения кольцевого режима течения, при котором в центре трубки движется пар с отдельными каплями воды, а по стенкам увлекается водяная пленка.

При большой длине трубок и малых значениях коэффициента подачи это может привести к разрыву пленки и ее высыханию на отдельных участках верхней части трубок. Образование накипи в таких условиях неизбежно, что и подтверждается опытом работы опреснителей серии Д. Грубо говоря, при этих условиях пар выбрасывает почти всю воду из верхней части трубки. Именно поэтому для всех благополучно работающих опреснителей рассматриваемого типа характерна значительно меньшая высота батареи и большее число трубок, чем для опреснителей серии Д, и увеличенный коэффициент подачи питательной воды (m = 4 ÷ 5).

Кроме того, высота трубок влияет и на интенсивность заброса рассола в паровое пространство, так как при длинных трубках их общее количество меньше и, следовательно, скорость пароводяной смеси на выходе из трубок больше. Установка отбойного щита над трубками уменьшает общее увлажнение пара, но не изменяет его зависимости от высоты трубок, так как за щитом основную часть влаги составляют мелкие транспортируемые капли, образующиеся при интенсивных ударах фонтанирующих струй об отбойный щит.

Методика назначения оптимальной высоты трубок с учетом указанных факторов еще не разработана. Однако, исходя из опыта эксплуатации ряда опреснителей, можно отметить, что к оптимальным наиболее близки значения, характерные для успешно эксплуатируемых и достаточно компактных опреснителей «Атлас». Они составляют 350, 450 и 500 мм для моделей АФГУ 2, 5 и 7 с производительностью 5-6, 21-25 и 42-50 т/сутки соответственно.

Заслуживает внимания и такая эксплуатационная особенность коротких трубок, как возможность ручной их очистки без разбора опреснителя. Для этого в корпусе предусматриваются лаз и съемный отбойный щиток.

Из других конструктивных отличий батареи, связанных с меньшей ее высотой, следует отметить соответственно меньшее число ходов греющей воды: оно не превышает четырех (в опреснителях серии Д число ходов доходит до восьми). Чем меньше число ходов, тем меньше доля бесполезных сопротивлений при повороте потока греющей воды и, следовательно, больше скорость воды между трубками, достижимая при данном напоре циркуляционного насоса.

В новых батареях отсутствует центральный рециркуляционный канал, так что батарея является прямоточной. Это позволяет до минимума (0,5 ÷ 1 мин) сократить время задержки воды в батарее, благодаря чему распад бикарбонатов происходит лишь частично, и соответственно уменьшается вероятность отложения накипи. Этому же способствует повышенная скорость движения воды во входной части трубок, достигаемая за счет увеличенных значений коэффициента подачи. В рассматриваемых испарителях время задержки испаряемой воды – порядка одной минуты.

Как видно из статьи «Накипеобразование в испарителях морской воды и методы его предотвращения на суднеКоличество накипи в различных условиях испарения морской воды», увеличение времени задержки до двух минут более чем в полтора раза повысило бы карбонатную щелочность и соответственно количество образующейся накипи. И наоборот, сокращение времени задержки позволяет существенно уменьшить отложение накипи. В связи с этим при длительной эксплуатации средний по времени коэффициент теплопередачи оказывается более высоким, чем в батареях с рециркуляцией, где первоначальное его значение при чистых трубках может быть несколько большим благодаря малой высоте экономайзерного участка.

Другой фактор, способствующий сокращению времени задержки рассола, – количество питательной воды. Увеличением коэффициента подачи m (отношения количества питательной воды к производительности опреснителя) до 4-5 против обычного для вакуумных испарителей (2,5-3) удается добиться пропорционального снижения времени задержки и соответственно уменьшения темпов образования накипи настолько, что становится возможной эксплуатация опреснителей без очистки в течение 5-6 тыс. ч.

Увеличение подачи питательной воды и снижение концентрации рассола также позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи в экономайзерных и парообразующих участках трубок. Так, если для морской воды значения α2 лишь на 28 % меньше, чем для дистиллированной, то для рассола двойной концентрации эта разница составляет уже 36 %. Поэтому улучшение теплопередачи за счет разбавления рассола дает значительный эффект, с избытком компенсирующий некоторое увеличение расхода тепла на опреснитель. Это увеличение расхода тепла на подогрев добавочной воды до температуры кипения составляет всего лишь 12-14 ккал/кг, т. е. не превышает 2 %, что для утилизационного опреснителя никакого значения иметь не может.

Таким образом, при увеличении m от 2,5-3 до 4-5 можно добиться следующих результатов:

В соответствии с этим для дальнейших расчетов принято m = 4.

Температура вторичного пара t2 принята равной 40 °С. Основанием для этого служит условие получения минимальной суммарной поверхности испарителя и конденсатора, а следовательно, и наименьшей стоимости опреснителя.

Расчет:

Исходные данные:

Принимают:

  1. Коэффициент подачи питательной воды в соответствии с приведенными выше данными m = 4.
  2. Температуру вторичного пара t2 = 40 °С. Основанием служит условие получения минимальной суммарной поверхности испарители и конденсатора.

Из этого условия можно вывести следующее соотношение между коэффициентами теплопередачи в испарителе и конденсаторе Kи и Kк и температурными напорами ∆tи и ∆tк:

tиtк=KкKи;
tк + tи=t1ср  tз. вср,

где:

Отсюда:

tк=t1ср  tз. вср1 + KкKи=56,3  311 + 210,5 град,

а температура вторичного пара:

t2=31 + 10,5=41,5

°С.

Учитывая, однако, что вблизи минимума эта сумма изменяется незначительно, принимаем ради уменьшения накипеобразования расчетное значение t2 = 40 °С.

Определяют по таблицам:

Порядок расчета:

Количество продуваемого рассола:

Wр=m  1W2=4  1208=624 кг/ч.

Расход питательной воды:

W1=mW2=832 кг/ч.

Количество тепла для подогрева и испарения питательной воды при условии, что она направляется в испаритель с температурой
tп. в= 28 °C,

Q=W2r2 + mct2  tп. в=208574,7 + 4 · 0,9640  28=127 000 ккал/ч.

Расход греющей воды:

Wгр=Q : c1t1  t1=127 000 : 160  52,5=16,9 м3/ч.

Наружный диаметр трубок греющей батареи dн = 16 мм, внутренний dвн = 14 мм. Высота сечения для прохода греющей воды принята конструктивно в соответствии с диаметром трубопровода и ожидаемой скоростью воды между трубками h = 60 мм, ширина b = 83 мм. Скорость греющей воды в межтрубном пространстве:

w=Wгр3 600bh=16,93 600 · 0,083 · 0,060=0,95 м/сек.

Критерий Рейнольдса для греющей воды:

Re=wdнν=0,95 · 0,016 · 1060,508=29 900.

Критерий Прандтля для греющей воды при

t1ср

:

Pr = 3,21 (по справочной таблице).

Критерий Нуссельта по формуле В. Н. Тимофеева для охлаждаемой жидкости:

Nu=0,0263 Re0,8 Pr0,35=0,0263 · 29 9000,8 · 3,210,35=167,5.

Коэффициент теплопроводности греющей воды:

λв = 0,563 ккал/(м·ч·град) (по справочным таблицам).

Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к трубке:

α1=λвNudн=0,563 · 167,50,016=5 900 ккал/(м2 · ч · град).

Коэффициент теплопроводности металла трубок греющей батареи:

λм = 330 ккал/(м·ч·град) (по справочным таблицам).

Средняя температура стенки трубки:

tсрст=0,5t1 + t12 + t2 + tп. в2=0,560 + 52,52 + 40 + 282=45,13 °C

Средняя разность температур стенки трубки и кипящего рассола:

t=tсрст  t2  tп. в2=45,13  34=11,13 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к кипящему рассолу по формуле М. А. Михеева:

α2=22p0,58t2,33=22 · 0,07520,58 · 11,132,33=1 350 ккал/(м2 · ч · град).

Средняя логарифмическая разность температур:

tF=t1  tп. в  t1  t22,3 lgt1  tп. вt1  t2=52,6  28  60  402,3 lg52,6  2860  40=22,2 град.

Коэффициент теплопередачи от греющей воды к рассолу определяют как для плоской стенки, так как dн/dвн < 1,5:

K=11α1 + lλм + 1α2=115 900 + 0,001300 + 11 350=1 090 ккал/(м2 · ч · град).

Поверхность нагрева испарителя (греющей батареи):

F=QtF=127 00022,2 · 1 090=5,25 м2.

С учетом запаса поверхности на образование накипи принимают:

F = 6,5 м2.

Высоту греющей батареи конструктивно принимают:

l = 0,36 м.

Число трубок греющей батареи:

z=Fπdвнl=6,53,14 · 0,014 · 0,36=380.

Из условия размещения этого количества трубок при треугольной их разбивке с шагом 22 мм получают необходимую площадь трубной доски 0,194 м2 и соответствующий ей внутренний диаметр батареи 500 мм. Наружный диаметр по фланцу батареи принят 580 мм. В соответствии с этим, а также с учетом необходимости размещения отбойного щита над батареей принимают внутренний диаметр корпуса Dвн = 0,8 м.

Отсюда напряжение зеркала испарения:

RF=4W2v2πDвн2=4 · 208 · 19,553,14 · 0,82=8 100 м3/(м2 · ч).

Такое напряжение, предопределяющее скорость подъема пара над зеркалом 2,25 м/сек, позволяет получить солесодержание дистиллята менее 10 мг/л без дополнительных сепарационных устройств (см. таблицу «Сепарация пара в испарителях на судах морского флотаИзмерение влажности пара в зависимости от нагрузки парового объема опреснителя «Атлас»»).

Однако расстояние между зеркалом испарения и приемным отверстием конденсатора в этом случае должно быть не менее 600 мм. Поэтому назначаем высоту паровoго пространства H = 0,95 м.

Наружный диаметр кожуха конденсатора Dк = 0,34 м определен из расчета конденсатора.

Отсюда напряженность парового объема:

Rv=W2v2HπDвн214  0,785Dк2Dвн=208 · 19,550,95 · 3,14 · 0,952 · 0,25  0,785 · 0,342 · 0,8=9 850 м3/(м3 · ч).

Это значение меньше предельного [35-30 тыс. м/(м·ч)], допускаемого в подобных опреснителях. Его увеличение потребовало бы для сохранения требуемой чистоты пара установить сепаратор, что привело бы к увеличению H. Поэтому в данном случае такое увеличение не оправдано.

Диаметр патрубка выхода рассола конструктивно принимают:

dр = 0,025 м.

Скорость рассола в патрубке:

wр=Wр2 825dр2=0,6242 825 · 0,0252=0,357 м/сек.

Расчет сопротивления в межтрубном пространстве греющей батареи:

Число рядов трубок, пересекаемых потоком, m = 20.

Функция числа Рейнольдса:

fRe=0,75awγ1μg0,2=0,750,068 · 0,95 · 98451 · 106 · 9,81=0,122,

где:

Потеря напора при движении вдоль перегородки:

P1=4fRe mw2γn2g=4 · 0,122 · 15 · 0,95 · 984 · 62 · 9,81=2 090 кГ/м2.

Потеря напора при повороте на 180°:

P2=0,0815γ1w2n  1=0,0815 · 984 · 0,952 · 5=325 кГ/м2.

Диаметры входного и выходного патрубков (принимают конструктивно):

dп = dвх = dвых = 0,06 м.

Скорость греющей воды в патрубках:

wв. п=W2 · 1032 825dп2γ1=16,93 · 1032 825 · 0,062 · 984=1,69 м/сек.

Потери во входном и выходном патрубках:

P3=2wв. п2γ12g=1,692 · 9842 · 9,812=287 кГ/м2.

Коэффициент неучтенных потерь (принимают):

ψ = 1,3.

Полное гидродинамическое сопротивление по греющей воде:

P=P1 + P2 + P3ψ=2 090 + 325 + 2871,3=3 520 кГ/м2.

Расчет конденсатора:

Исходные данные:

Определяют по таблицам:

Теплоемкость забортной воды (см. табл. 1-5):

cз. в = 0,93 ккал/(кг·град).
Таблица 1. Поверхностное натяжение воды
t, °C0102030405060708090100110120130140150
σ · 104, кГ/м77,175,674,172,671,069,167,565,663,861,960,058,055,953,951,749,6

 

Таблица 2. Теплоемкость морской воды в зависимости от солености и температуры (при атмосферном давлении)
t, °CСоленость, °Бр
01 0002 0003 0004 000
01,0050,9730,9560,9440,930
51,0030,9710,9540,9420,928
101,0020,9700,9520,9400,927
151,0000,9680,9510,9380,926
200,9990,9670,9500,9380,925
250,9980,9670,9490,9370,924
300,9980,9660,9490,9370,923

 

Таблица 3. Значение коэффициентов температуропроводности, плотности, кинематической вязкости и критерия Прандтля для морской воды в зависимости от ее температуры
(3 000 °Бр, С = 0,94 ккал/(кг·град), γ = 1 025 кГ/м3)
t, °Cψ · 104,
м2
ρ,
кг·сек24
ν · 106,
м2/сек
ν · 103,
м2
Pr
54,785104,481,5175,46111,413
104,8571,3164,7389,754
154,9301,1484,1338,383
205,0021,0193,6687,383
255,0650,90933,2736,462
305,1380,81832,9465,734
355,2100,75612,7225,224

 

Таблица 4. Значение коэффициентов вязкости и теплопроводности морской воды в зависимости от солености и температуры
t, °CКоэффициент динамической вязкости
μ · 106, кг·сек/м2
Коэффициент теплопроводности λ, ккал/(м·ч)
Соленость, °Бр
1 0002 0003 0001 0002 0003 0003 500
0184,0185,0186,00,4650,4570,4540,453
5156,0157,5158,50,4710,4640,4610,460
10134,7136,0137,50,4770,4710,4680,467
15117,5118,8120,00,4840,4780,4750,474
20104,0105,2106,50,4900,4840,4820,480
2592,493,595,00,4970,4910,4880,487
3083,284,585,50,5030,4980,4950,494
3576,978,079,00,5100,5050,5020,501

 

Таблица 5. Повышение температуры кипения морской воды в зависимости от концентрации солей в ней
Концентрация солей в морской воде и ее рассолах, %Температура кипения при соответствующем давлении, °C
255075100125150
повышение температуры кипения
10,080,090,0950,100,110,12
20,150,170,190,200,220,23
30,250,280,300,320,350,37
40,350,390,410,430,470,50
50,450,500,540,580,620,67
60,560,620,670,720,770,82
70,680,750,800,870,941,00
80,800,880,961,041,121,20
90,931,041,141,231,331,43
101,071,191,321,451,571,68

 
Теплосодержание конденсата при давлении pп в конденсаторе:

qк = 40 ккал/кг.

Теплоемкость конденсата:

cк = 1 ккал/(кг·град).

Тепловой расчет:

Количество тепла, отдаваемого паром при конденсации:

Qп=W2iп  qк=208614,7  40=120 000 ккал/ч.

Расход охлаждающей воды:

Wз. в=MW2=80 · 208=16,65 т/ч.

Принимают:

Wз. в = 17 т/ч.

Повышение температуры охлаждающей воды при конденсации пара:

tз. в=QпηWз. вcз. в=120 000 · 0,9817 · 103 · 0,93=7,4 град.

Температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора:

tз. в вых=tз. в + tз. в=28 + 7,4=35,4 °C.

Средняя температура охлаждающей воды в конденсаторе:

tз. в ср=0,5tз. в + tз. в. вых=0,528 + 35,4=31,7 °C.

Сортамент охлаждающих трубок принимают:

d1d2=1614 мм.

Средняя скорость воды по трубкам из латунных сплавов wв ⩽ 2,4 м/сек.

Принимают wв = 1,1 м/сек.

Для трубок из сплава 70 % Cu + 30 % Ni wв ⩽ 3 м/сек; для трубок из титана wв > 3 м/сек.

Количество охлаждающих трубок:

N=zWз. в0,554wв=4 · 16,650,554 · 1,1=110 трубок.

Полезная длина трубки, равная длине парового корпуса конденсатора:

lтр = 1,2 м.

Шаг разбивки трубок по треугольнику S ⩾ 24 мм.

Принимают S = 30 мм = 0,03 м.

Коэффициент заполнения трубной доски:

ηтр0,6.

Наружный диаметр пучка трубок:

D=1,05SNηтр=1,05 · 0,031100,6=0,43 м.

Средняя скорость пара в конденсаторе:

wп=W2vп3 600lтрD1  d1Sηтр=208 · 19,553 600 · 1,2 · 0,431  0,0160,030,6=3,8 м/сек.

Коэффициент парового сопротивления конденсатора принимают μ = 0,02.

Паровое сопротивление конденсатора:

p=μωп2vп=0,023,8219,55=0,015 мм рт. ст.

Температура насыщения, соответствующая давлению pотс = pп∆p,

tотс = 39,17 °C

Средняя логарифмическая разность температур пара и воды в конденсаторе (z ⩾ 2, где z – число ходов воды в конденсаторе):

tп=tотс  tз. в  tп  tз. в вых2,3 lgtотс  tз. вtп  tз. в вых=39,17  28  40  31,72,3 lg39,17  2840  31,7=8,95 град.

При z = 1:

tп=tз. в вых  tз. в2,3 lg11  2,3tз. в вых  tз. вtп  tотсlgtп  tз. в выхtотс  tз. в.

При pп0,15 кГ/см2 и любых значениях z:

tп=tз. в вых  tз. в2,3 lgtп  tз. вtп  tз. в вых.

Коэффициент теплопередачи:

K=794wвtз. в ср + 17,84=7941,131,7 + 17,84=2 210 ккал/(м2 · ч · град).

Необходимая поверхность конденсатора:

F=QпKtп=120 0002 210 · 8,95=6,07 м2.

Фактическая поверхность F при размерах, принятых выше, незначительно превышает необходимую:

F=πdlтрN=3,14 · 0,016 · 1,2 · 110=6,64 м2.

При более значительном расхождении нужно изменить число трубок, но если связанное с этим изменение скорости воды приведет к отклонению от допустимых величин, следует соответственно изменить число ходов воды.

Расчет одноступенчатого испарителя кипящего типа с паровым обогревом

Исходные данные:

Производительность W2 = 2 080 кг/ч (50 т/сутки).

Давление и температура греющего пара:

Концентрация солей в Системы охлаждения пресной и забортной водой на морских судахзабортной питательной воде и ее температура:

Температура питательной воды:

tп. в = 32 °C.

Принимают:

Конструктивный тип испарителя – моноблок с горизонтальной прямотрубной нагревательной батареей и горизонтальным конденсатором. Трубки батареи и конденсатора латунные диаметром 16/14 мм. Давление вторичного пара в испарителе по условиям предотвращения образования накипи и снижения удельного расхода пара:

p2 = 0,1 ата.

Концентрацию солей в рассоле в испарителе:

B = 5,25 %.

Температуру конденсата греющего пара:

tк = 60 °C.

Предусматривается охлаждение конденсата в нижних трубках нагревательной батареи. Специальный охладитель отсутствует.

Коэффициент теплопроводности греющих трубок (латунных):

λ = 95 ккал/(м·ч·град).

Определяют по таблицам:

Порядок расчета:

Коэффициент подачи воды в испаритель:

m=BB  B0=5,255,25  3,50=3.

Температурная депрессия:

∆tкип = 0,64 град.

Влияние гидростатического эффекта:

Принимают H ≈ 0,4 м – высота столба воды в испарителе:

tгс=273 + tн2vп2Hγр2 · 427r2=273 + 45,5 · 15 · 0,4 · 1 0302 · 427 · 571,5=4,06 град.

Заметим, что при вертикальном расположении трубок высота H, а отсюда и ∆tгс были бы значительно большими, что резко ухудшило бы условия теплообмена.

Действительная температура кипения рассола:

tкип=tн2 + tкип + tгс=45,5 + 0,64 + 4,06=51,2 °C.

Расход тепла на получение 1 кг вторичного пара:

q2=r2 + mtкип  tп. вcр=571,5 + 351,2  320,93=625 ккал/кг.

Расход тепла на получение заданной производительности:

Q2=φq2W2=1,01 · 625 · 2 080=1,31 · 106 ккал/ч,

где:

Расход греющего пара:

G=Q2i1  iк=1,31 · 106642  60=2 260 кг/ч.

Удельный расход пара:

d = G ÷ W2 = 2 260 ÷ 2 080 = 1,085 кг/кг.

Средняя температура стенки трубки:

tст=tн1 + tкип2=108 + 51,22=79,6 °C.

Разность температур стенки и кипящего рассола:

t2=tст  tкип=79,6  51,2=28,4 град.

Тепловая нагрузка на трубку со стороны наружного диаметра:

q2=39p20,5t23,33=39 · 0,10,5 · 28,43,33=8 500 ккал/(м2 · ч).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к рассолу:

α2=3p20,15q20,7=3 · 0,10,15 · 8 5000,7=5 230 ккал/(м2 · ч · град).

Коэффициент E (характеристика теплового сопротивления пленки конденсата):

E = 11,6 – 0,032tн1 = 11,6 – 0,032 · 108 = 8,1.

Длина греющих трубок (принимается с последующей проверкой):

L = 2,0 м.

Тепловая нагрузка с внутренней стороны трубки:

q1=q2dнdвн=85 0001614=97 200 ккал/(м2 · ч).

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке:

α1=1,26Eq10,5L0,35dвн0,25=1,26 · 8,1 · 97 2000,5 · 2,00,35 · 0,0140,25=10 460 ккал/(м2 · ч · град).

Коэффициент теплопередачи от греющего пара к рассолу при чистых трубках:

K0=11α1 + δλ + 1α2=1110 460 + 0,00195 + 15 230=3 370 ккал/(м2 ·ч · град),

где:

По мировым стандартам спецификационная, или паспортная производительность испарителя в условиях накипеобразования должна сохраняться до конца 90-суточного периода его работы без очистки нагревательной батареи. В связи с этим требуемую поверхность батареи следует определять по коэффициенту теплопередачи Kн для трубок, покрытых накипью. Его величина находится из условия:

1Kн=1K0 + δнλн,

где:

В соответствии с данными рис. «Накипеобразование в испарителях морской воды и методы его предотвращения на суднеЗависимость λ = f(B, t2) при стационарном тепловом режиме» λн может быть приближенно принят равным 0,85 ккал/(м·ч·град).

При этих условиях:

1Kн=13 370 + 0,00060,85=0,00091 м2 · ч ·град/ккал,
Kн=1 100 ккал/(м2 · ч · град).

Разность температур между греющим паром и кипящим рассолом:

t=t1  tкип=108  51,2=56,8 град.

Необходимая поверхность батареи:

F=QKнt=1,31 · 1061 100 · 56,8=20,9 м2.

Удельный паросъем:

W2F=2 08020,9100 кг/(м2 · ч).

Заметим, что полученные результаты достаточно хорошо совпадают с конструктивными характеристиками испарителя «Эврика» (см. «Конструкции судовых опреснителей и характеристики опреснительных установокУтилизационные глубоковакуумные опреснители»), работающего при тех же условиях и обеспечивающего фактическую производительность 47 т/сутки при F = 18,6 м2, что свидетельствует о приемлемости принятой методики.

Число трубок нагревательной батареи:

z=Fπldн=20,93,14 · 2,0 · 0,016=208.

Принимаем треугольную разбивку трубной доски с шагом t = 24 мм.

Площадь треугольной ячейки:

f=0,867t22=0,8672,422=2 см2.

Площадь поперечного сечения трубного пучка:

Ф=1,05zf=1,05 · 208 · 2=437 см2.

Диаметр трубного пучка:

Dп=4Фπ=4 · 4373,14=34,3 см.

Диаметр корпуса нагревательной батареи:

Dк=1,2Dп=1,2 · 34,3=41,2 см.

Расчет сепаратора.

Площадь поперечного сечения парового пространства испарителя принимают равной 1,4 м2. Тогда скорость подъема пара над зеркалом испарения:

wп=W2vп23 600Fп=2 080 · 153 600 · 1,4=6,2 м/сек.

Высоту парового пространства примем Hп = 1 м.

С учетом, однако, незначительного ее влияния на влажность при величине Hп > 0,8 м в последующий расчет подставляют Hп = 0,8 м.

По формуле («Теплообмен в испарителях морской воды на суднеУсловие равенства нормального давления») влажность пара на высоте Hп перед сепаратором составляет:

ω=14,1 · 1010wп2,76Hп2,3 · ν2,2ρ1,1σ1,19=14,1 · 10106,22,760,82,3 · 0,642,21013,2 · 6,81,1103,3 · 7,11,19103,57=1,5 %.

Сепаратор принимают с проволочной набивкой. Характеристики сепаратора указаны в «Сепарация пара в испарителях на судах морского флотаПаросепарационные устройства». Предельная скорость пара, допускаемая для данного сепаратора:

wmax=3,6γ2=3,60,0666=7,45 м/сек.

Скорость прохода пара через сепаратор w должна быть меньше предельной. Примем ее 6 м/сек. Тогда необходимая площадь сепаратора:

Fс=W2v2п3 600w=2 080 · 153 600 · 6=1,45 м2.

Сопротивление сепаратора при высоте слоя l = 0,1 м:

P=124flαγ2ε2 · w2g=124 · 0,160,1 · 36 · 0,06660,9772 · 629,81=190 мм вод. ст.,

где:

Отсюда давление за сепаратором:

p2=p2  P=0,1  0,019=0,081 ата.

КПД сепаратора:

log11  r=2,65w0,138=2,6560,138=2,07.

Отсюда η = 0,992.

Влажность пара за сепаратором:

ωвых=ω1  η=1,51  0,992=0,012 %.

Солесодержание вторичного пара и дистиллята:

Sдист=Spωвых100=52 5000,012100=6,3 мг/л.

Расчет конденсатора ничем не отличается от приведенного в предыдущем примере и потому здесь не повторяется.

Расчет многоступенчатого адиабатного опреснителя

Исходные данные:

Схему движения испаряемой воды принимают проточную, так как число ступеней при заданном q сравнительно невелико. Температура испаряемой воды перед первой ступенью при условии применения противонакипных присадок (триполифосфат натрия) может быть принята t0 = 90 °С.

Число ступеней, обеспечивающее минимальную стоимость при заданном q (см. рис. «Технико-экономическая эффективность опреснения и выбор типа опреснительной установки на суднеК определению расчетной стоимости опреснителей»), равно 6. Однако с учетом того, что с увеличением числа ступеней увеличиваются по технологическим причинам и размеры испарителя, а также малой разницы в стоимости принимаем z = 5.

Порядок расчета:

Полный нагрев забортной воды в опреснителе:

T=t0  tз. в=90  29,7=60,3 град. 

Средняя температура испаряемой воды и среднее значение скрытой теплоты парообразования:

tср=0,5t0 + tз. в=0,590 + 29,7=59,85 °C;
rср = 563,4 ккал/кг.

Недогрев забортной воды в каждом конденсаторе (для обеспечения заданного q при φ = 0,96) из формулы («Расчет потребления энергии на судовые опреснительные установкиУдельный расход пара на испаритель»):

t=Tz · φqzrср  11 + φqrср=60,35 · 0,96 · 200 · 5563,4  11 + 0,96 · 200563,4=6,3 град.

С учетом температурной депрессии принимают ∆t = 5,8 град.

Нагрев забортной и охлаждение испаряемой воды в каждой ступени:

ϑ=T  tz + 1=60,3  5,85 + 1=9 град.

Температура испаряемой воды по ступеням:

Аналогично:

Температура пара в ступенях с учетом температурной депрессии 0,5 °C:

Давление пара в ступенях в соответствии с температурой:

Температура охлаждающей воды на выходе из каждой ступени:

Аналогично:

Коэффициент потерь тепла через изоляцию η = 0,99.

Расход забортной воды через опреснитель с учетом потерь тепла на вторичное испарение дистиллята в последующих ступенях и через изоляцию:

Wз. в=W2φ · rсрcз. вt0  tV=10,96 · 5 000563,40,9390  45=70 000 кг/ч.

Количество вторичного пара, образующегося в ступенях:

DI=ηWз. вcз. вt0  t1rI=0,99 · 70 0000,9390  81550,7=1 050 кг/ч;
DII=ηWз. в  ΣDcз. вtI  tIIrII=0,9970 000  1 0500,9381  72555,6=1 030 кг/ч;
DIII=ηWз. в  ΣDcз. вtII  tIIIrIII=0,9970 000  1 050  1 0300,9372  63561=1 000 кг/ч;
DIV=0,9970 000  1 050  1 030  1 0000,9363  54566,2=980 кг/ч;
DV=0,9970 000  1 050  1 030  1 000  9800,9354  45571,6=960 кг/ч.

Суммарная производительность всех ступеней:

W2=ΣDп=5 020 кг/ч.

Расчет конденсаторов:

Конденсатор первой ступени:

Тепловая нагрузка:

QI=DIrI=1 050 · 550,7=579 000 ккал/ч.

Средняя логарифмическая разность температур:

tсрI=ϑ2,3 logtпI  tвIItпI  tвI=92,3 log80,5  65,780,5  74,7=9,62 град.

Средняя температура охлаждающей воды в конденсаторе:

tв. ср=tвI + tвII 2=65,7 + 74,72=70,2 °C.

Скорость охлаждающей воды в трубках принимаем:

wв = 1,95 м/сек.

Коэффициент теплопередачи для чистых латунных трубок диаметром d = 19 мм:

K=935wвtв. ср + 17,84=9351,9570,2 + 17,84=4 100 ккал/(м2 · ч · град).

С учетом загрязнения трубок накипью и повышенного содержания газов в конденсаторе:

KI = 0,7K′ = 0,7 · 4 100 = 2 870 ккал/(м2 · ч · град).

Необходимая поверхность трубок конденсатора:

FI=QIKItсрI=579 0002 870 · 9,62=21,4 м2.

Конденсатор пятой ступени:

Тепловая нагрузка:

QV=DVrV + cϑDI + DII + DIII + DIV=955 · 571,6 + 1 · 91 050 + 1 030 + 1 000 + 980=584,6 · 103 ккал/ч.

Средняя логарифмическая разность температур по аналогии с первой ступенью:

∆tср = 9,62 град.

Средняя температура охлаждающей воды в трубках:

tв. ср=0,5tз. в + tз. вV=0,529,7 + 38,7=34,2 °C.

Скорость воды в трубках:

wв = 1,95 м/сек.

Коэффициент теплопередачи для чистых трубок:

K=935wвtв. ср + 17,84=9351,9534,2 + 17,84=3 540 ккал/(м2 · ч · град).

Ввиду меньшей температуры воды в пятой ступени и менее интенсивного образования накипи коэффициент загрязнения может быть принят 0,75.

Тогда с учетом загрязнения:

KV = 0,75K′ = 0,75 · 3 540 = 2 830 ккал/(м2 · ч · град).

Необходимая поверхность трубок:

FV=QVKVtср=584 6002 830 · 9,62=21,4 м2.

Поскольку расчетные поверхности конденсаторов в первой и последней ступенях различаются незначительно, фактическую поверхность для всех ступеней принимают одинаковой и равной 22 м.

Число ходов воды из условия размещения всех перепускных трубок на одной стороне должно быть четным. В опреснителях производительностью 5-10 т/ч оно бывает либо 2, либо 4. При малом числе ходов конденсаторы получаются длинными и относительно узкими. В соответствии с этим узкими должны быть и камеры испарения, что затрудняет монтаж внутрикамерных устройств и усложняет технологию постройки испарителя. Поэтому двухходовые конденсаторы применяются лишь при производительности каждой ступени около 2 т/ч и выше, когда абсолютная ширина камер не менее 500 мм.

В примере, как показывают прикидочные расчеты, приемлемое соотношение между длиной трубок и шириной камеры достигается при четырех ходах. Отсюда число трубок в каждом ходе, необходимое для пропуска охлаждающей воды:

z=4wγπdвн2cв3 600=4 · 70 0001 020 · 3,14 · 0,0162 · 1,95 · 3 600 = 48.

Расчетная длина трубок:

l=Fnzπdвн=224 · 48 · 3,14 · 0,016=2,28 м.

Для обеспечения достаточно малой ширины ступени принимают форму пучка трубок прямоугольную с вертикальным расположением большей стороны. Приняв шаг трубок t ≈ 1,5d (28 мм) и число трубок в горизонтальных рядах 12, получают ширину пучка 340 мм.

Высота пучка с треугольной решеткой, при четырех рядах в каждом ходе и просвете между ходами по 20 мм, будет равна 515 мм. Ширина прохода между стенкой камеры и корпусом конденсатора составляет 200 мм. В этом случае ширина камеры будет равна 540 мм. Изготовление камеры при такой ширине не представляет технологических затруднений.

Приняв размеры камер испарения во всех ступенях одинаковыми, получают длину корпуса опреснителя:

L = 1,05 · 5b = 1,05 · 5 · 540 = 2 670 мм.

Высота камер определится из условия:

H = hв + hп+ hс + hк + hпр= 0,1 + 0,8 + 0,1 + 0,72 + 0,1 = 1,82 м,

где:

Общая высота агрегата с учетом пространства под корпусом для размещения насосов и перепускных труб около 0,68 м составляет 2,5 м.

Площадь поперечного сечения камеры:

Fк = 0,54 · 2,28 = 1,23 м2.

Скорость подъема пара в камере пятой ступени:

wп=DVvV3 600Fк=960 · 15,853 600 · 1,23=3,44 м/сек.

Как можно судить по выполненным конструкциям, скорость пара в них достигает 6-8 м/сек, так что величина, полученная в данном расчете, не создает опасности повышенного уноса и вполне допустима.

Расчет подогревателя здесь не приведен, так как он аналогичен расчету конденсатора. При определении расхода тепла и пара на подогреватель следует предварительно определить нагрев воды в конденсаторе эжектора (если эжектор пароструйный).

Обычно расход пара на эжектор не превышает 200-250 кг/ч.

Если применен водоструйный эжектор или вакуумный насос, то расход тепла на подогреватель определится просто:

Q=1ηWcз. вt0  t1в=10,9970 000 · 0,9390  74,7=1 · 106 ккал/ч.

Удельный расход тепла (уточненный):

q=QΣDп=1 · 1065 020=199 ккал/кг.

Энтальпия греющего пара: i1 = 650,7 ккал/кг.

Энтальпия конденсата на выходе: iк = 110 ккал/кг.

Расход пара на подогреватель:

G=Qi1  iк=1 · 106650,7  110=1 835 кг/ч.

Удельный расход греющего пара:

g=W2GΣDп=1 8405 020=0,366 кг/кг.

Некоторого снижения удельного расхода пара можно достигнуть более глубоким охлаждением конденсата (до 90-85 °С) в дополнительной секции подогревателя или специальном охладителе, включенном перед подогревателем.

Сноски

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 13, 2023 312 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ