книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

Входящие в формулу (174) значения A t и k 0 находят обыч­ ным путем. При этом температуру сока t' поступающего в сек­

цию охлаждения, находят из выражения:

откуда

Расход охлаждающей воды в секции охлаждения Wx (кг/с) находят из следующего уравнения:

Общую длину канала, образованного последовательно вклю­ ченными в работу пакетами пластин, находят из теплового ба­ ланса секции.

Составим, например, уравнение теплового баланса в общем виде при охлаждении G (в кг/с) сока от t\ до h (в 0 С)

теплопередачи и средняя разность температур в зоне охлаждения.

При известной ширине канала h (в м), расстоянии между ними h (в м), скорости движения сока w (в м/с) и его плотности р (вкг/м3) масса сока G (вкг/с), протекающего по одному кана-

Поверхность теплопередачи F 0 выразим через произведение удвоенной ширины пластины h (м) на требуемую длину пути L потока сока, зная, что поток сока охлаждается с двух сторон, т. е. F 0= 2 b, тогда уравнение (177) запишется в виде

bhwpc (tj — 12) = 2bLK 0

откуда общая длина канала L (в м)

hwpc(t1— /,)

(178)

2*0 Atо

whn ’

где п — число параллельных ходов.

___у_

(180)

bhw

Эквивалентный диаметр канала d3 (в м) составит

140

П26

Пр и м ер . Определить поверхность теплопередачи, число пластин и число пакетов в секции регенерации пластинчатого

а) температура холодного сока после подогрева его в секции регенерации

в) температура горячего сока на выходе из секции регенерации

t2 = tHJr М р = 15 + 23,1 = 38,1 °С.

Значения At а и AtM для секции определяем по следующей схеме теплообмена:

92 °С сок горячий 38,1 °С

6 8 ,9 °С сок холодный 15°С

At$ = 23,1 °С AtM= 2 3 ,1 °С.

Полученные значения указывают на то, что по длине кана­ лов теплообменника перепад температур остается постоянным иДг = 23,1°С.

2. Определяем средние температуры потоков и их теплофи­

ц = 0 ,6 8 -1 0 -3 Па-с и Я = 0,59 Вт/(м-К).

3.Приняв предварительно скорость движения сока в ка­

нале да = 0,3 м/с, находим число каналов п в пакете из урав­ нения неразрывности потока:

G1,4

п= ------- = ------------------------------------- 5 84

141

5. Тепловая нагрузка на секцию регенерации

Qp = Gc (t2— h) = 1,4-4000 (68,9— 15) = 307 000 Вт.

6. Необходимая поверхность теплопередачи для секции ре­

7.Число пластин в секции

а число пакетов в секции

35

— 2и 2-6 2,9.

Так как число пакетов должно быть целым, принимаем

/р= 3.

6. КОНДЕНСАТООТВОДЧИКИ

Для отвода конденсата греющего пара из поверхностных теп­ лообменников и выпарных аппаратов применяют конденсатоотводчики.

Наибольшее распространение получил конденсатоотводчик с открытым поплавком (рис. 77, а), в корпусе 1 которого нахо­ дится открытый поплавок 2, выполненный в виде стакана. К дни­ щу стакана прикреплен стержень 4, заканчивающийся сверху

Рис. 77. Конденсатоотводчики:

а — с открытым поплавком, б — с закрытым поплавком.

клапаном 5. К крышке конденсатоотводчика прикреплена труб­ ка 3, погруженная всегда в конденсат в стакане, и Ъерегородка 7, предотвращающая залив стакана поступающим в корпус кон­ денсатом.

При заполнении корпуса конденсатом стакан всплывает и клапан 5 закрывает выходное отверстие 6 для конденсата. При дальнейшем поступлении конденсат начинает переливаться внутрь стакана. При определенном заполнении стакана он тонет, клапан 5 открывает выходное отверстие и под давлением пара

143

конденсат вытесняется из стакана через трубку 3 и отверстие 6. После удаления из стакана большей части конденсата стакан снова всплывает, клапан 5 закрывает выходное отверстие и на­ чинается следующий цикл.

На рис. 77,6 показан конденсатоотводчик с закрытым по­ плавком. Смесь конденсата и пара поступает в него через патру­ бок 1, встречая на своем пути перегородку 2, предотвращающую удары конденсата о поплавок. По мере накопления конденсата

Вторитш

9-^^лар

Рис. 78. Гидравлические затворы:

8й 9 — патрубки.

вконденсатоотводчике поплавок 3 всплывает и при помощи рычага 4 открывает клапан 5 для отвода конденсата через пат­

рубок 6.

В верхней ^асти конденсатоотводчика имеется кран 8 для выпуска воздуха. Конденсатоотводчик снабжен рукояткой 7, при помощи которой его можно продуть. Для этого рукоятку отводят по направлению стрелки; рычаг, связанный с поплавком и 'кла­ паном, приподнимается, клапан открывается, и через выходное отверстие конденсат выходит вместе с паром, унося посторонние примеси.

Конденсатоотводчики устанавливают не менее чем на 0,5 м ниже места вывода конденсата из аппарата; для возможности отключения его предусматривается обводная линия.

Конденсат может быть удален из аппаратов и при помощи простого устройства — гидравлического затвора. Г1ри этом кон­ денсат беспрепятственно удаляется, а пар задерживается стол­ бом жидкости, образующейся в результате конденсации пара.

Наиболее типичные конструкции гидравлических затворов, приведены на рис. 78, а и б (буквой h обозначен столб конденса­

144

та, представляющий собой гидравлический затвор, препятствую­ щий выходу пара наружу).

Высоту гидравлического затвора определяют в зависимости от давления пара и давления среды, в которую отводится кон­ денсат.

Если давление пара в начале гидравлического затвора р\

уравновешивается давлением р2 и массой столба конденсата вы­ сотой к (в м).

Поэтому можно написать следующее уравнение:

Pi = Ра + hpg,

откуда

Pi Р2

(182)

Pg

Эта формула справедлива для неподвижного столба конден­ сата в гидравлическом затворе, составляющего так называемый статический напор. В действительности конденсат в затворе дви­ жется, и при этом часть давления расходуется на создание ско­ ростного напора и преодоление сопротивлений движению.

Кроме того, если давление в гидравлическом затворе от его начала к концу снижается от pi до р2 и конденсат имеет темпе­ ратуру, близкую к температуре насыщения пара, то происходит его самоиспарение. При этом пузырьки пара образуют с конден­ сатом смесь, плотность которой рСм ~0,5 рщ и поэтому необходи­ мая высота столба жидкости, уравновешивающая перепад дав­ лений, увеличивается.

С учетом изложенного составим следующее уравнение рав­ новесия:

Pi Pi — ^Рсм g “Ь ДРтр “Ь Д/fycK — ^Рсм g ~f" ДРлот >

где Дртр и ДруСк— части напора, расходуемые на преодоление трения и соз­ дание ускорения потока.

Д р п о т — Д р т р Н" Друск>

откуда требуемая высота затвора к (м) составит

Д Рш>т=0,5 (Р1—Р2 ).

При колебаниях давления и температуры пар, образующийся в результате самоиспарения, может захватить с собой конденсат и выбросить его из гидравлического затвора, в результате чего затвор нарушается и автоматически без изменения режима ра­ боты не восстанавливается.

Этого недостатка лишена гидравлическая колонка с цирку­ ляционным контуром, показанная на рис. 78, в. Для использо-

вания тепла от самоиспарения конденсата эту колонку обычно патрубком 9 подключают к последующему аппарату, работающе­ му под меньшим давлением. Конденсат в колонку поступает че­ рез сопло 4 и, поднимаясь по трубе 5, вскипает; благодаря цир­ куляционному контуру 7 (в котором конденсат не кипит) и под­ сосу конденсата соплом 4 из сборника 3 обеспечивается надле­ жащая циркуляция конденсата в системе и необходимая высота гидрозатвора для пара; поэтому работа водоотводчика не нару­ шается. Избыток конденсата отводится через патрубок 8, а вы­ делившийся пар — через патрубок 9.

Глава XI. ВЫПАРИВАНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА

Выпариванием называют процесс повышения концентрации нелетучего растворенного вещества в кипящем растворе путем удаления из него летучего растворителя (воды) в виде пара.

При этом по мере испарения воды и удаления ее из аппарата в виде пара концентрация сухих веществ в растворе, остающем­ ся в аппарате, повышается. В ряде случаев с помощью выпари­ вания достигается высокое концентрирование раствора (до 92-у93% сухих веществ); при дальнейшем удалении воды из та­ кого раствора происходит выделение из него твердого вещества

ввиде кристаллов.

Вотличие от испарения, протекающего при температуре, ко­ торая ниже температуры кипения раствора, выпаривание проис­ ходит при кипении, т. е. в условиях, когда давление пара над

раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Выпари­ вание широко применяют в кондитерском, сахарном, консервном, молочном и других производствах.

Для нагревания раствора до температуры кипения на прак­ тике, как правило, используют водяной пар, который называют греющим или первичным в отличие от вторичного (сокового) па­ ра, образующегося из выпариваемых растворов (соков).

Процесс выпаривания можно проводить под атмосферным или избыточным давлением, а также под вакуумом.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар, образующийся из раствора, отводят в атмосферу. Этот спо­ соб выпаривания является наиболее простым, но неэкономичным в тепловом отношении.

При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар имеет высокую температуру, поэтому его часто используют для нагревания в различных теплообменных аппаратах, работающих под меньшим давлением. В этом случае эффективность выпарной установки повышается. Однако повышение температуры и дав­ ления вторичного пара связано с соответствующим увеличением

146

давления греющего пара и стоимости установки, кроме того, при повышения этих показателей ухудшается качество многих органических жидкостей (молока, томатных и сахарных соков

и др.).

При выпаривании под вакуумом точка кипения раствора сни­ жается, и это позволяет использовать для обогрева вакуум-вы- парных аппаратов пар низкого давления. Этот способ широко применяется для выпаривания растворов, разлагающихся при повышенных температурах, и растворов, имеющих высокую точ­ ку кипения при атмосферном давлении. Достоинствами выпари­ вания под вакуумом являются также уменьшение потерь тепла в окружающую среду и увеличение полезной разности между температурами греющего пара и кипящего раствора. Это поз­ воляет уменьшить поверхность теплообмена и габариты ап­ парата.

По мере сгущения раствора изменяются его физические свой­ ства: температура кипения, теплопроводность, теплоемкость, вяз­ кость, температуропроводность и др. С ростом концентрации уменьшается теплопроводность, теплоемкость и температуропро­ водность раствора и увеличивается его вязкость; при этом ухуд­ шаются условия теплоотдачи от поверхности нагрева аппарата к кипящему раствору, что и должно учитываться при расчете, конструировании и эксплуатации выпарных аппаратов.

Выпаривание раствора может осуществляться в одном вы­ парном аппарате (однокорпусная установка) либо в ряде по­ следовательно соединенных выпарных аппаратов (многокорпус­ ная установка).

В однокорпусной выпарке тепло греющего пара используется однократно, а тепло вторичного пара, уходящего из аппарата, обычно не используется.

В многокорпусной выпарной установке вторичный пар, ухо­ дящий из любого предыдущего корпуса, является греющим па­ ром для последующего, в котором раствор кипит при более низ­ ком давлении.

Этот метод проведения процесса обеспечивает значительную экономию тепла и поэтому в промышленности имеет большое распространение.

По методу ведения процесса различают периодическое и не­ прерывное выпаривание. При периодическом процессе исходный раствор может загружаться за один раз либо порциями. После достижения необходимой концентрации сгущенный раствор вы­ гружают и аппарат загружают новой порцией исходного раст­ вора.

При непрерывном процессе выпаривания непрерывно подво­ дят греющий пар и начальный раствор и непрерывно отводят упаренный раствор, вторичный пар и конденсат греющего пара.

2. ОДНОКОРПУСНАЯ ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА

а) Схема установки

Однокорпусная выпарная установка применяется для выпа­ ривания относительно небольшого количества воды, когда эконо­ мия тепла не имеет большого значения.

Схема непрерывно действующей однокорпусной выпарной ус­ тановки, работающей под вакуумом, представлена на рис. 79.

Рис. 79. Схема однокорпусной выпарной уста­ новки.

Исходный раствор из сборника 1 подается насосом 2 в подогре­ ватель 3, где он нагревается до кипения, отсюда раствор направ­ ляется в выпарной аппарат 4 для выпаривания.

Греющий пар, необходимый для проведения процесса, пода­ ется в межтрубные пространства подогревателя и выпарного аппарата. Образующийся в аппарате вторичный пар вместе с воздухом и газами направляется через каплеуловитель 5 в баро­ метрический конденсатор 6; здесь пар конденсируется при сме­ шении с водой, а воздух и газы из верхней части конденсатора через ловушку 7 откачиваются вакуум-насосом. Конденсат вме­ сте с водой в виде так называемой барометрической воды отво­ дится из корпуса 6 самотеком через барометрическую трубу 8 и барометрический ящик 9. Сгущенный до нужной концентрации раствор откачивается насосом 10 в сборник готового продукта.

148

t

Применительно к выпариванию под давлением рассмотрен­ ная схема может быть упрощена — из нее исключают насос 10 и вместо барометрического конденсатора, устанавливают поверх­ ностный.

При расчете выпарного аппарата определяют:

количество выпаренной воды при заданной начальной и ко­ нечной концентрации раствора;

расход греющего пара; поверхность нагрева выпарного аппарата. „

б) Материальный и тепловой балансы однокорпусной выпарной установки непрерывного действия

Количество выпаренной воды и конечную концентрацию вы­ париваемого раствора определяют из материального баланса, согласно которому количество сухих веществ в растворе до и после выпаривания остается постоянным.

Уравнение материального баланса можно записать в таком виде:

откуда количество выпаренной воды W (в кг/с)

При заданном количестве выпариваемой воды конечная кон­ центрация раствора Вк (в % масс.) из уравнения (184)

Расход греющего пара на выпаривание определяют из сле­ дующего теплового баланса (рис. 80).

149