Нагреватель модели Alumina Digestion
Оглавление
Введение. 1
Математическое описание нагревателя. 2
Передача тепла через стенку трубы при
спутном движении потоков. 2
Коэффициент теплопередачи от стенки к
пульпе. 3
Коэффициенты теплоотдачи от
перегретого пара и конденсата к стенке. 4
Коэффициент теплоотдачи от
конденсирующегося пара к стенке. 5
Бесконтактный нагрев пульпы или алюминатного раствора применяется на
всех типах современных автоклавных батарей, т.к. обеспечивает доказанную более
высокую эффективность рекуперации тепла в сравнении с «нагревом острым паром»,
когда пар смешивается с пульпой. Кроме того бесконтактный нагрев пульпы или
раствора позволяет возвращать собранный чистый конденсат на теплоэлектростанцию
и уменьшить объем воды, испаряемой выпарными батареями.
В модуле Alumina Digestion реализована модель бесконтактного
паро-пульпового нагревателя с вертикальным расположением греющих труб и
перемешивающим устройством (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция нагревателя-автоклава:
Dмеш – диаметр перемешивающего устройства по наружной
кромке лопастей; Dавт –
внутренний диаметр корпуса нагревателя-автоклава.
В процессе передачи тепла к нагреваемой пульпе может происходить в трех
состояниях греющая среда может находиться в трех состояниях: перегретый пар,
насыщенный пар и конденсат. В автоклавных батареях пар, имеющих устройства
отсечки конденсата пар, приходящий в нагреватель, является перегретым. В
батареях, в которых такие устройства не предусмотрены, в нагреватель поступает,
как правило, смесь пара и конденсата. Перегрев пара в автоклавных батареях с
устройствами отсечки конденсата обусловлен двумя причинами: температурной
депрессией раствора, из-за которой пар становится перегретым уже в момент
выхода из пульпы; дросселированием пара на клапанах, регулирующих
производительность сепаратора по пару, т.к. в процессе дросселирования перегрев
пара усиливается.
Математическое описание нагревателя включает: уравнение передачи тепла
от греющей среды к пульпе; уравнения для расчета коэффициента теплопередачи
через цилиндрическую стенку трубы, причем на стенке с обеих сторон могут
иметься инкрустации, и это учтено в модели; формул для расчета коэффициента
теплоотдачи от стенки трубы к потоку пульпы; математических зависимостей,
которые позволяют рассчитать значение коэффициента теплопередачи от греющей
среды к стенке в каждом из трех возможных состояний.
Количество тепла, передаваемое
потоку пульпы в прямоточном нагревателе, определяется по формуле
|
 ,
|
(1)
|
где
- мощность
теплового потока, Вт;
и
–
соответственно входная и выходная температуры греющего потока;
и
– входная и выходная температуры потока пульпы;
-
коэффициент теплопередачи нагревателя, Вт/(м2·К);
-
площадь теплообменной поверхности нагревателя, м2.
Суммарный коэффициент теплопередачи от
греющего потока к потоку пульпы, приведенный к наружному диаметру пульповой
трубы определяется по формуле:
|
|
(2)
|
где
,
,
– толщины соответственно стенки пульповой трубы,
слоя инкрустации со стороны греющей среды и со стороны пульпы;
,
,
– теплопроводности
соответственно стенки пульповой трубы, слоя инкрустации со стороны пара и со
стороны пульпы.
Площадь теплообменной поверхности,
работающая в условиях теплоотдачи от перегретого пара определяется по формуле:
|
|
(3)
|
Площадь теплообменной поверхности,
работающая в условиях теплоотдачи от конденсирующегося пара определяется по
формуле:
|
|
(4)
|
Площадь теплообменной поверхности,
работающая в условиях теплоотдачи от конденсата определяется по формуле:
|
 .
|
(5)
|
Доля поверхности, находящаяся в состоянии
теплообмена с перегретым, насыщенным паром или конденсатом, может быть
определена по формуле:
|
 .
|
(6)
|
Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к
потоку пульпы определяется интенсивностью перемешивания пульпы в автоклаве.
Критерий Рейнольдса для пульпы с учетом
перемешивания определяется по формуле:
|
 ,
|
(7)
|
где
- коэффициент
скорости мешалки, для турбулентного режима равный 0,75;
и
-
диаметр автоклава и мешалки соответственно, м;
–
кинематический коэффициент вязкости пульпы, м2/с;
~
10-3 - критерий Рейнольдса для потока пульпы в отсутствие
перемешивания.
Критерий Прандтля для пульпы:
|
 ,
|
(8)
|
где
– динамический
коэффициент вязкости пульпы, Па·с;
– коэффициент теплопроводности
пульпы, Вт/(м·К).
Критерий Нуссельта для пульпы:
|
 ,
|
(9)
|
где
и
–
соответственно теплопроводность твердого вещества пульпы и алюминатного
раствора, Вт/(м·К);
и
– cсоответственно теплоемкость твердого вещества пульпы и
алюминатного раствора Дж/(кг·К);
– средняя крупность частичек
боксита, м;
– наружный диаметр трубок нагревателя, м.
Коэффициент теплопередачи от стенки к
потоку пульпы
|
 .
|
(10)
|
Расчет
коэффициентов теплообмена при теплоотдаче от перегретого пара к пульпе и
конденсата к пульпе аналогичен, и выполняется для соответствующих физических
параметров среды с использованием приведенных ниже зависимостей.
Температурный
напор зоны нагревателя:
|
 .
|
(11)
|
Критерий Рейнольдса:
|
 ,
|
(12)
|
где
- массовый
расход пара через одну из трубок нагревателя, кг/с;
–
кинематический коэффициент вязкости перегретого пара, м2/с;
–
плотность перегретого пара, кг/м3.
Критерий Прандтля для перегретого пара:
|
 .
|
(13)
|
Критерий Нуссельта для перегретого пара:
|
 .
|
(14)
|
Коэффициент теплопередачи греющего потока к
стенке:
|
 .
|
(15)
|
Температурный
напор:
|
 .
|
(16)
|
Критерий Кухрена:
|
 ,
|
(17)
|
Критерий Прандтля для конденсата:
|
 ,
|
(18)
|
где
,
и
– удельная теплоемкость, динамический коэффициент
вязкости и теплопроводность конденсата соответственно, Дж/(кг·К), Па·с и
Вт/(м·К).
Критерий, характеризующий удаление
конденсата с поверхности теплообмена:
|
 ,
|
(19)
|
где g – ускорение свободного
падения, м/с2;
– плотность конденсата, кг/м3.
Критерий Нуссельта для конденсации пара в
трубе
|
 ,
|
(20)
|
где h – высота теплообменной
поверхности, работающей в режиме конденсирующегося пара м.
Коэффициент теплопередачи от
конденсирующегося пара к стенке:
|
 ,
|
(21)
|
где
и
–
соответственно внутренний диаметр и толщина стенки пульповой трубы, мм.