Расчёт толщины тепловой изоляции рассматривается при установившемся тепловом потоке ql=const, где ql – тепловой поток, отнесённый к единице высоты греющей камеры. При расчёте принимают, что потери в окружающую среду равны не более Q0 = (0,03-0,05)Q1.

Тогда ql = 0,05Q1/l , где l = 4м – высота кипятильных труб, Q1 = 13,7*106 кДж/ч = 3,81*106Дж/с.

ql = 0,05*3,81*106/4 = 4,76*104Дж/(с*м).

Перенос теплоты из межтрубного пространства греющей камеры в окружающую среду – многостадийный процесс.

3.16.1. Теплоперенос при конденсации греющего пара.

В межтрубном пространстве имеет место конденсация греющего пара, поэтому

ql= aконд*pDвн(tгп -q1) = А(tгп - q1)3/4*pDвн

aконд = 2,035А’(rгп/l)1/4*(tгп - q1)-1/4;

А = 2,035А’(rгп/l)1/4,

А’= (lконд3r конд2/m конд)1/4, где lконд , r конд, m конд – физические параметры конденсата греющего пара, причём А’ – табулирован (8, стр.40), выбираем А’=196 при температуре 1500С.

rгп = 2120 кДж/кг - теплота парообразования греющего пара при температуре 1500С.

Т.о., А=10,8*103

Dвн=1м – внутренний диаметр стенок греющей камеры.

3.16.2. Теплоперенос через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала.

Стационарный теплоперенос теплопроводностью через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала представляется как

ql= p(q -q2)/((1/2lстln(Dн/Dвн),

ql= p(q2 -q3)/((1/2lизln(Dиз/Dн),

где q1, q2, q3 - температуры внутренней стенки, стенки между изоляционным материалом и стенкой, наружной поверхности изоляционного материала;

q3 = 400С – выбирается исходя из условий безопасности обслуживания установки.

lст, lиз- теплопроводность стенки греющей камеры и изоляционного материала:

lст=16,4 Вт/мК

lиз = 0,0098 Вт/мК - теплопроводность для совелита – 85% магнезии и 15% асбеста (8, стр.44).

Dн =1,020 м– наружный диаметр стенок греющей камеры

Dиз – наружный диаметр изоляции.

3.16.3. Теплоперенос от наружной поверхности изоляции в окружающую среду.

ql= aî(q3-tср)pDиз

где tср = 20,30С - температура окружающей среды,

aо- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, который слагается из коэффициентов теплоотдачи за счёт естественной конвекции (aо,) и за счёт излучения (aо,,).

aо = aо, + aо,,,

где aо,, = с(((273+q3)/100)4 – ((273+ tср)/100)4)/ (q3-tср)

с =eСч - константа излучения, зависящая от рода материала и состояния поверхности излучения:

e=0,96степень чёрноты поверхности изоляции 8, стр.43);

Сч =5,7 Вт/м2К4 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела,

с = 0,96*5,7 = 5,5 Вт/м2К4

Тогда aо,, =5,5(96,0 - 74,0)/19,7 = 6,1 Вт/м2К.

aо, = N*((q3-tср)/Dизmn

Найдём произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr:

Критерий Прандля для воздуха в диапазане температур 10-5000С при атмосферном давлении остаётся практически постоянным и равным 0,722.

Критерий Грасгофа Gr = gDиз3bDt/n2где b= 1/(273+30,2)=0,0033 – коэффициент объёмного расширения воздуха, n = m/r =0,014*10-3м2/с  кинематическая вязкости воздуха при температуре 30,20С,m = 0,018*10-3Н*с/м2динамическая вязкость воздуха при температуре 30,20С (9,стр. 107);r =1,2928 кг/м3плотность воздуха при тех же условиях (9, стр.33), l = 4 м.

Для определения величины критерия Грасгофа необходимо располагать значением Dиз, который, собственно, является искомым в проводимом расчёте. Однако для рачёта не требуется точного значения произведения Gr*Pr и достаточно лишь располагать порядком этой величины. В связи с этим в выражения для критерия Грасгофа вместо Dиз можно подставить значение наружного диаметра корпуса аппарата Dн = 1,020 м.

Тогда критерий Грасгофа Gr = 9,81*(1,020)3*0,0033*(40-20,3)/0,014*10-3)2=3,4*1010.

Произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr = 2,4*109.

Т.к. произведение критериев Прандтля и Грасгофа (Gr*Pr)>2*107, то n = 1/3; m=0; N=1,450 (1, стр.20).

Тогда aо, = 1,450*(40-20,3)0,33= 3,9 Вт/м2К.

Следовательно, aо = aо, + aо,, = 3,9 + 6,1 = 10 Вт/м2К.

3.16.4. Расчёт толщины изоляции.

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

aо(q3-tср) = (lиз/d из)(q2 -q3

Причём q2 – температура наружной поверхности аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции  принимают равной температуре греющего пара 1500С.

Тогда d из = lиз(q2 -q3)/aо(q3-tср) = 0,098*(150-40)/10(40-20,3) = 0,055м = 55мм

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,055м и для других корпусов.

4. Механический расчёт аппаратов выпарных установок.

Механический расчёт выполняется для первого корпуса (корпус, представленный в графической части проекта).

4.1. Греющая камера.

4.1.1. Расчёт толщины стенки греющей камеры.

Корпус греющей камеры выпарного аппарата представляет собой вертикальную обечайку, работающую для первого корпуса выпарной установки под внутренним, избыточным давлением, равном давлению греющего пара р= 0,476 МПа = 4,85 ат.

Номинальная расчётная толщина стенки рассчитывается по формуле:

dст’= pD/(2[s]jp)

Допускаемое напряжение [s]=hs, где h =1,0 – поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата (5, стр. 408); s* - нормативное допускаемое напряжение для выбранного материала - сталь марки Х18Н10Т.

s* = 130 МН/м2 – номинальное допускаемое напряжение при температуре1500С (5, стр. 406).

[s] =hs* = 130 МН/м2

j = 1,0 – коэффициент прочности сварного шва – сварной шов стыковой двухсторонний (8, стр.20).

D = 1000мм – диаметр греющей камеры.

Тогда dст’=(0,476*106*1)/(2137*106*1 0,476*106) = 2мм.

Расчётная толщина стенки равна dст = dст’+ Ск + Сэ + Сд + Со, где Сэ – прибавка на эрозию или другой вид механического воздействия рабочей среды на материал, Сд – дополнительная прибавка по технологическим, монтажным и другим соображениям, величинами Сд и Сэ пренебрегаем.

Ск = 1мм, т.к. проницаемость данного материала не более 0,1 мм/год (5, стр. 409).

Со = 1 - прибавка на округление размера.

Тогда dст=2+1 = 3мм.

Таким образом, толщина стенки должна быть не менее 3мм, принимаем dст = 10мм (8, стр. 21).

4.1.2. Расположение труб в греющей камере.

При размещении кипятильных труб стремятся к равномерному их распределению по сечению греющей камеры. Трубы расположены в шахматном порядке – по сторонам равносторонних шестиугольников.