4.11.Конденсация.

4.11.1. Общие сведения.

Конденсацией называют процесс перехода пара или сжатого до критического состояния газа в жидкое состояние. Сжижение пара достигается охлаждением его, а газа – сжатием с последующим охлаждением.

Процесс конденсации широко применяется в пищевых производствах, например для сжижения паров спирта, углекислого газа ( при получении жидкой углекислоты), аммиака и фреонов – в холодильных установках, а также для создания определенного разрежения в выпарных, фильтрационных, сушильных и других вакуумных установках.

Аппараты, в которых происходит конденсация, называются конденсаторами. В качестве охлаждающего агента в них обычно применяют воду, реже воздух и другие хладоносители. Различают поверхностные конденсаторы и конденсаторы смешения. В поверхностных конденсаторах конденсирующиеся пары или газы и охлаждающая вода разделены теплопроводящей стенкой и конденсация паров происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки.

В конденсаторах смешения пары конденсируются в результате непосредственного смешения их с водой.

4.11.2. Поверхностные конденсаторы.

Применяют в тех случаях, когда необходимо получить конденсат в чистом виде или сконденсировать пары ценной жидкости (спирта, ацетона, бензина и др.).

По устройству эти конденсаторы аналогичны поверхностным теплообменникам, из которых для конденсации широко применяют теплообменники типа «труба в трубе», кожухотрубные и оросительные. Необходимая поверхность теплообмена конденсатора рассчитывается с учетом следующих особенностей.

Рис.4.11.

Для примера рассмотрим вертикальный кожухотрубный конденсатор, служащий для конденсации перегретого водяного пара с последующим охлаждением полученного конденсата до заданной температуры. Температурный график процесса показан в координатах Н-t, где Н – высота рабочей части конденсатора, а t температура воды и пара.

С учетом особенностей протекающих в конденсаторе процессов рабочую поверхность его по высоте условно разделим на три зоны: I – зона охлаждения перегретого пара от температуры t_n до температуры насыщения t_н; II – зона конденсации пара, в которой процесс протекает при t_н = const, и III – зона охлаждения полученного во II зоне конденсата от t_н до заданной конечной температуры его t.

Так как процессы, протекающие в этих зонах различны, то общую поверхность теплообмена конденсатора рассчитывают отдельно по зонам с учетом характерных для каждой из них тепловой нагрузки Q, коэффициента теплопередачи k и средней разности температур .

Обозначив через F_o.n – поверхность теплообмена для охлаждения перегретого пара, F_k – поверхность теплообмена для конденсации насыщенного пара и F_o.k – поверхность теплообмена для охлаждения конденсата, то общая поверхность теплообмена конденсатора F

Составим тепловой баланс по законам при условии полной конденсации насыщенного пара (или сжатого до критического состояния газа) в количестве D (кг/с):

1) для зоны охлаждения перегретого пара Q_o.n составит

где t_п и t_н – температура перегретого и насыщенного пара, ^оС;

С_п – средняя теплоемкость пара в данном интервале температур, Дж/(кг к).

2) для зоны конденсации пара или газа при t_н = const

где r – удельная теплота конденсации, Дж/кг.

3) для зоны охлаждения полученного конденсата от t_н до заданной температуры t

Тогда общая тепловая нагрузка на конденсатор

где х = 0,95 - 0,97 – коэффициент, учитывающий тепловые потери от стенок конденсатора в окружающую среду.

Это общее количество тепла воспринимается в конденсаторе водой, которая при этом нагревается от начальной температуры t_в.н до конечной t_в.к. Тогда тепловой баланс в конденсаторе выразится уравнением

,

откуда расход воды на конденсатор W

,

где С_в – средняя теплоемкость воды, ДЖ/(кг к).

При расчете подобного конденсатора по зоне необходимо знать промежуточные температуры охлаждающей воды t_в1 и t_в2; их нетрудно определить из тепловых балансов для I и III зон.

Например, из теплового баланса для III зоны

,

находим

.

Температура воды, входящей в зону должна быть ниже температуры выходящего из нее продукта не менее чем на 4 – 5 ^оС. Необходимо также стремиться к тому, чтобы охлаждающая вода уходила из конденсатора с возможно более высокой температурой; при этом уменьшается расход холодной воды, а получаемая горячая вода может быть использована на технологические нужды.

4.11.3. Конденсаторы смешения.

Конденсаторы смешения применяют для конденсации неиспользуемых в производстве водяных паров и паров жидкостей, практически не растворяющихся в воде. В зависимости от способа вывода воды и газов из этих аппаратов различают конденсаторы смешения мокрые и сухие.

Рис.4.12.

Из мокрого конденсатора смешения (рисунок 1), охлаждающая воды, образующийся из пара конденсат и выделяющиеся из них неконденсирующиеся газы откачиваются совместно мокровоздушным насосом, тогда как из сухого (барометрического конденсатора, рисунок 2) охлаждающая вода вместе с конденсатом отводится снизу конденсатора самотеком, а неконденсирующиеся газы из верхней части конденсатора откачиваются вакуум-насосом. Поэтому расход энергии на сухие конденсаторы смешения значительно меньше, чем на мокрые; этим и объясняется широкое применение барометрических конденсаторов в промышленности.

В зависимости от направления движения пара и воды различают конденсаторы смешения противоточные и прямоточные. В мокром прямоточном конденсаторе конденсирующийся пар и распыленная охлаждающая вода движутся в одном направлении, тогда как в барометрическом конденсаторе эти взаимодействующие среды движутся противотоком.

При расчете барометрического конденсатора определяют расход охлаждающей воды, размеры корпуса, число полок, размеры барометрической трубы и количество воздуха, подлежащего откачке вакуум-насосом.

Пренебрегая теплом с уходящим воздухом, расход воды на полную конденсацию пара в однокорпусном конденсаторе согласно рисунку 2, определяют из следующего теплового баланса:

, (1)

откуда расход охлаждающей воды W

, (2)

Откуда

Подставляя эти значения в уравнение (1) получим

Откуда количество воды, поступающей в первый корпус,

, (3)

а количество пара D₂, оставшегося для конденсации во втором корпусе,

(4)

Диаметр корпуса конденсатора определяют по известному объему пара при рабочем давлении в конденсаторе и скорости движения пара в свободном сечении корпуса, равной 18 - 22 м/с.

Сечение патрубков на корпусе конденсатора рассчитывают в зависимости от следующих скоростей: 40-50 м/с – для пара, входящего в конденсатор; 12-15 м/с для воздуха; 1,0-1,2 м/с – для охлаждающей воды и 0,3-0,5 м/с для барометрической воды.

Число полок в конденсаторе определяют по методу, предложенному И.И. Чернобыльским, в основу которого положен процесс теплообмена между цилиндрической струей воды и паром в результате непосредственного контакта.

В результате конденсации пара и охлаждение полученного конденсата до температуры воды выделится тепла

, (5)

где – коэффициент теплоотдачи от пара к воде, Вт/(м² к);

t_н – температура насыщения, ^оС;

t_в – температура нагретой воды в рассматриваемом сечении, ^оС;

F – поверхность контакта пара и воды, м².

С другой стороны, количество тепла, воспринимаемое водой от пара

, (6)

где f - площадь сечения струи, м²;

- скорость движения струи, м/с;

- плотность воды, кг/м³;

с - теплоемкость воды, Дж/(кг к).

Приравнивая правые части уравнений (5) и (6) и разделяя переменные, получим

Интегрируя это уравнение от (t_н – t_в1) до (t_н – t_в2) и по F, получим

, (7)

Значение (м/ч) в этом уравнении представляет собой коэффициент массообмена, а отношение характеризует интенсивность теплообмена в процессе конденсации пара.

Подынтегральное выражение выразим через высоту падения струи dH (равноценную расстоянию между полками) и диаметр струи d_стр, то есть

.

Для функциональной зависимости последнее выражение можно записать

. С учетом сделанных преобразований уравнение (7) можно записать так

.

Из-за трудности определения величины заменим ее равнозначной по размерности величиной . Тогда получим

(8)

На основании экспериментальных данных из функциональной зависимости (8) общего вида получена следующая расчетная формула:

, (9)

где - эквивалентный диаметр плоской струи;

в и - ширина и толщина струи, м;

- скорость истечения струи, м/с.

,

где V – расход воды, м³/с;

b и h – ширина полки и высота слоя воды по ней.

Уравнение (9) дает возможность рассчитать нагрев воды при перетекании ее с полки на полку и количество сконденсировавшегося при этом пара.

Последовательно проводя расчет от полки к полке (начиная с верхней), определяют количество полок, необходимое для нагрева охлаждающей воды в конденсаторе до температуры на 2 - 6 ^оС ниже температуры насыщенного пара, поступающего в конденсатор.

Если расстояние между полками одинаковые, то пренебрегая изменением общего количества воды и конденсата, стекающих по ступеням конденсатора, необходимое число ступеней можно рассчитать по следующей приближенной формуле:

, (10)

где t_в.н и t_в.к – начальная и конечная температура воды в конденсаторе, ^оС;