Расчет судовой водоопреснительной установки вакуумного типа

 

Ниже приведена инженерная методика расчета основных параметров ВОУ вакуумного типа, наиболее распространенной на судах. Для удобства выполнения расчета на рисунке 2.1 приведены обозначения некоторых основных параметров.

 

Расчет питания и продувания испарителя

В испаритель установки постоянно подается питательная забортная вода. В свою очередь из испарителя постоянно удаляется часть рассола («продувание испарителя») и уходит вторичный пар в конденсатор. Основой расчета питания и продувания испарителя служат уравнения его массового баланса (общего и по солям):

G₀ = G_ПР +G₂;

G₀ S₀ = G_ПР S_P,

 

где G₀, S₀ – массовый расход и соленость питательной забортной воды; G₂ – массовый расход вторичного пара (производительность ВОУ); S_P – соленость рассола в испарителе; G_ПР – массовый расход удаляемого рассола.

Здесь во втором уравнении учтено, соленость забортной воды и рассола значительно выше солености дистиллята, а значит последним можно пренебречь.

Интенсивность продувания испарителя характеризуется коэффициентом продувания, под которым понимают

 

e = G_ПР / G₂.

 

Для существующих ВОУ обычно e =3…4. При расчете следует принять значение коэффициента продувания из указанного диапазона.

Для определения искомых величин G₀, G_ПР и S_P студентам необходимо предварительно вывести расчетные формулы из трех уравнений, приведенных выше.

 

Тепловой расчет испарителя

Основными задачами теплового расчета испарителя является определение необходимой площади поверхности теплообмена и потребного расхода греющей воды.

1.2.1. Температура рассола, необходимая для обеспечения устойчивого кипения и образования вторичного пара, определяется по формуле

 

t_P = t₂ + Dt_Д + Dt_Г,

 

где t₂ – температура насыщения вторичного пара (при которой кипит дистиллят); Dt_Д – поправка на температурную депрессию; Dt_Г – поправка на гидростатический эффект.

Температура t₂ определяется по справочной литературе в зависимости от давления в установке p₂.

Температурная депрессия – это эффект повышения температуры кипения рассола из-за наличия в нем солей (по сравнению с t₂). Поправку Dt_Д можно вычислить по эмпирической формуле

 

Dt_Д = S_P / 8000,

 

где величину необходимо подставлять в °Бр.

Гидростатический эффект заключается в следующем. Столб жидкости (рассола) в испарителе создает определенное гидростатическое давление. Вследствие этого давление рассола в нижних слоях выше, чем давление в верхних слоях, равное p₂. Поэтому температура кипения рассола в нижних слоях выше, чем t₂, что необходимо учитывать. Значение поправки Dt_Г можно принимать из диапазона Dt_Г = 2…4 °С.

Другим способом учета гидростатического эффекта является определение t₂ не при давлении p₂, а при давлении рассола в нижних слоях p’₂. Последняя величина вычисляется по формуле p’₂ = p₂ + r×g×h_P, где r – плотность рассола; g – ускорение свободного падения; h_P – высота столба рассола, которая обычно составляет 0,7…1,4м. При этом способе поправка Dt_Г принимается равной нулю.

1.2.2. Тепловая мощность (тепловой поток), которую необходимо подвести к испарителю для нагрева и испарения воды, вычисляется по формуле

 

Q = Q_НАГР + Q_ИСП.

 

Тепловая мощность (кВт) на нагрев питательной воды:

 

Q_НАГР = G₀×С₀×(t_P – t₀),

 

где С₀, t₀ – теплоемкость и температура питательной воды (на входе в испаритель).

Температура питательной воды на входе в испаритель определяется в зависимости от принципиальной схемы ВОУ. В случае если питательная вода до того как попасть в испаритель прокачивается через конденсатор (где несколько нагревается), то t₀ = t_{W 2} = t_{W 1} + Dt_K. Подогрев забортной воды в конденсаторе обычно составляет Dt_K = 4…10 °С. В случае если забортная вода сразу подается в испаритель имеет место t₀ = t_{W 1}.

Тепловая мощность (кВт) на испарение:

 

Q_ИСП = G₀ × r,

 

где r – удельная теплота парообразования воды (определяется по справочной литературе).

1.2.3. Коэффициент теплопередачи в испарителе, согласно с теорией теплопередачи, вычисляется по формуле

 

где a₁ – коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенкам труб, кВт/(м²×К);

l – коэффициент теплопроводности металла труб, кВт/(м×К); d, d, d_ВН – толщина стенки, наружный и внутренний диаметры труб испарителя, м; a₂ – коэффициент теплоотдачи от стенок труб к рассолу, кВт/(м²×К); x_ОТЛ – коэффициент, учитывающий влияние накипи на коэффициент теплопередачи.

Основные размеры трубок испарителя можно принимать из диапазонов:      d = 16…28 мм, d = 1,2…1,8 мм.

Коэффициент теплоотдачи a₁ при турбулентном движении жидкости в испарителе определяется по формуле

 

a₁ = Nu×l_Г  / d,

 

где Nu – критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи;

l_Г – коэффициент теплопроводности греющей пресной воды, кВт/(м×К) при температуре t_{Г СРЕДН}.

Критерий Нуссельта для случая поперечного омывания пучка труб определяется выражением

 

Nu = 0,25 × Re^0,6 × Pr^0,3,

 

где Re = w×d / n; Pr = n / a;

Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандля, характеризующий физические свойства жидкости; w – скорость греющей воды в межтрубном пространстве (принимается из диапазона 0,6…0,95 м/с); n – коэффициент кинематической вязкости греющей пресной воды, м²/с; a – коэффициент температуропроводности греющей пресной воды, м²/с.

Для пресной воды при температурах 60…70 °С критерий Прандля находится в диапазоне Pr = 2,98…2,55.

Для определения коэффициента теплоотдачи a₂ от стенок труб к кипящему рассолу можно воспользоваться эмпирической зависимостью.

 

a₂ = (1976,9-67,9 × s) × q_Т^0,3

 

где S_P – соленость рассола, выраженная в %.

При этом величиной удельной тепловой нагрузки испарителя q_Т =Q/F можно задаться из диапазона 18…28 кВт/м².

Приведенная формула для a₂ получена путем аппроксимации экспериментальных данных, содержащихся в [2].

1.2.4. Площадь поверхности теплообмена испарителя, необходимая для заданной производительности ВОУ, определяется на основе основного уравнения теплопередачи:

где  – среднелогарифмическая разность температур (температурный напор) испарителя.

Для условий теплообмена в испарителе Dt_Б = t_Г1 – t₀; Dt_М = t_Г2 – t_Р.

Количество трубок в испарителе:

 

n = F / (p d l _т),

 

где l _т – рабочая длина (высота) трубок, обычно l _т = 0,7…1,4 м.

 

1.2.5. Необходимый расход греющей воды определяется из выражения

 

 

где С_Г – теплоемкость греющей пресной воды.

Вычисленное значение G_Г получается выраженным в стандартной единице измерения – кг/с. Далее необходимо это значение перевести в м³/ч, поскольку на практике расходы воды обычно выражают в этой единице измерения.