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

{ G c -W ^ ) *pi.

Тогда количество тепла, уходящего с раствором из // корпу­ са в III, составит

образование 1 кг вторичного пара в том же корпусе. Таким об­ разом, коэффициент испарения показывает, какое количество воды испаряется (или образуется вторичного пара) в корпусе за счет конденсации 1 кг греющего пара.

моиспарения и показывает, какое количество вторичного пара образуется в п корпусе за счет того, что раствор поступает в этот корпус с температурой tn- \ > t n, т. е. перегретым.

С учетом принятых обозначений формула (192) для опреде­ ления количества воды, выпаренной в любом корпусе, примет вид

П—1

Метод расчета, предложенный И. А. Тищенко, отличается громоздкостью. Недостатком этого расчета является также пре­ небрежение тепловыми потерями, что отражается на точности результатов и несколько обесценивает сложные вычисления. По­

160

лучаемый в расчете эффект от самоиспарения компенсируется

Рассмотренный расчет без существенной погрешности значи­ тельно упрощается, если принять, что коэффициенты испарения а во всех корпусах равны единице (практически они составля­ ют 0,92—0,99), а произведения двух или больше коэффициентов

самоиспарений равны нулю.

Дальнейшее уточнение этого метода расчета, сделанное П. Д. Лебедевым, заключается в учете тепла пара, образующе­ гося при самоиспарении конденсата, переходящего в последую­ щий корпус через гидравлическую колонку или расширительный сосуд.

О с н о в ы м е т о д и к и р а с ч е т а в ы п а р н о й у с т а н о в к и по К л а с с е н у

Для расчета выпарной установки часто пользуются боЛёё простым методом, предложенным Классеном. В этом расчете принимают следующие допущения:

1)эффект самоиспарения компенсируется тепловыми поте­

рями;

2)1 кг греющего пара выпаривает в любом корпусе 1 кг во­

рительные результаты. Погрешность в определении Wn и Dn воз­ растает с увеличением числа корпусов. Наибольшая ошибка имеет место для последнего корпуса, работающего под ваку­ умом и имеющего небольшое значение Wn■Объясняется это тем, что в последнем корпусе наблюдаются наибольший эффект самоиспарения и наименьшие тепловые потери, поэтому фак­ тическое количество выпаренной в нем воды больше расчет­ ного.

Основные положения метода Классена рассмотрим на при­

Е3, ..., En-i и количеством воды W, выпаренной во всей уста­ новке.

Обозначив количество воды, выпаренной в I корпусе, W\= х, находим количества воды, выпаренной в корпусах:

в III корпусе

W3 = D3 = D2 — E2 = x — Ei — E2.

Для n корпуса

Рис. 87. К расчету многокорпусной выпарной установ­ ки по методу Классена.

Из последнего уравнения расход греющего пара, поступаю­ щего в / корпус, или количество выпариваемой из него воды х (в кг/с),

Подставляя в уравнение (196) значение x — Wi из уравне­ ния (198), находим количество воды Wn (в кг/с), выпаренное в любом корпусе выпарки,

Например, для V корпуса количество выпаренной воды

W — Ej — 2Ег — ЗЕ3— 4Et

Г.

5

Решая уравнение (199) относительно W, получим выражение, связывающее общее количество выпаренной воды с заданными пароотборами и количеством воды,.выпаренной в последнем кор­ пусе,

162

пар из хвостовых корпусов имеет более низкую температуру; поэтому для обогрева других теплообменников экстрапар отби­ рают из головных корпусов, вторичный пар которых имеет бо­ лее высокую температуру.

5.При выпаривании без пароотбора выпаренная вода рав­

номерно распределяется по корпусам установки, т. е. Wi — W2=

W

= ...= Wn= —- , что видно из уравнения (199). При отсутствии

пароотбора расход греющего пара на выпарку меньше, чем при пароотборе. Однако при пароотборе экономичность всей уста­ новки, включая и заводские теплообменники, обогреваемые вто­ ричным паром, повышается.

в) Полезная разность температур и температурные потери при выпаривании

Определение полезной разности температур

Полезная разность температур при выпаривании — это раз­ ность между температурой греющего пара и температурой кипе­ ния раствора; эта разность является основным фактором, опре­ деляющим интенсивность выпаривания и производительность выпарной установки.

В выпарных установках различают полную и полезную раз­ ность температур. Полной разностью температур называется разность между температурами пара, обогревающего первый корпус, и вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в конденсатор, т. е.

(203)

Полезная разность температур, обеспечивающая теплопере­ дачу, меньше полной разности температур на величину темпера­ турных потерь:

одинаковом давлении. Пренебрегая незначительным повышени­ ем температуры вторичного пара в результате взаимодействия его с брызгами кипящего раствора, принимают температуру вто­ ричного пара tBT равной температуре насыщенного пара чистого растворителя при заданном давлении.

Таким образом, можно записать:

(205)

164

С увеличением концентрации раствора и давления в аппара­ те физико-химическая депрессия возрастает; ее величину для растворов, кипящих под атмосферным давлением, обычно нахо­ дят по справочным таблицам, а для давлений, отличных от ат-

Рис. 88. К определению полезной разности температур при выпаривании.

парения воды при заданном давлении, Дж/кг.

С достаточной для технических расчетов точностью физико­ химическая депрессия сахарных растворов, фруктовых соков и молока может быть рассчитана по формуле

Гидростатическая депрессия Агс — разность между темпера­ турами кипения в верхнем слое раствора и в среднем по высоте слое, вызванная гидростатическим давлением столба жидкости. В расчетах принимают Лгс=1-т-2 град на каждый корпус.

Гидравлическая депрессия Аг— это разность между темпе­ ратурами вторичного пара над раствором и в конце паропрово­ да; она соответствует потере давления пара при движении его через аппарат и паропровод. В расчетах принимают Аг= 1 град на каждый корпус.

165

Температура кипения раствора выше температуры насыщен­ ного пара, находящегося над раствором, на величину Дф.х+ Д Гс:

при выпаривании; последнее приводит к увеличению поверхности

При заданной производительности аппарата W (в кг/с) и из­ вестном массовом напряжении U [в кг/(м2-с)] определяют не­ обходимую поверхность нагрева аппарата

W_

(213)

U

Распределение полезной разности температур между корпусами

При распределении полезной разности температур между от­ дельными корпусами следует руководствоваться следующими соображениями.

1. В последних корпусах выпарки условия теплообмена ухуд­ шаются и коэффициент теплопередачи падает. Чтобы для этих корпусов не требовалась чрезмерно большая поверхность нагре­ ва, полезную разность температур увеличивают от первого кор­ пуса к последнему.

2. Для уменьшения поверхности нагрева в корпусах, имею­

166

щих большую тепловую нагрузку, нужно в них обеспечить боль­ шую разность температур.

3. Минимальный полезный температурный перепад, при кото­ ром аппарат с естественной циркуляцией будет работать устой­ чиво, принимается для каждого корпуса 6—7 град, а для аппа­ ратов с принудительной циркуляцией допускается 4—5 град.

При проектировании выпарной установки ее корпуса могут иметь одинаковые поверхности нагрева или минимальную об­ щую поверхность нагрева. Одинаковая поверхность нагрева при всех корпусах имеет большое значение при конструировании и изготовлении установок, в которых корпуса имеют тепловые на­ грузки одного порядка. Благодаря однотипности и взаимозаме­ няемости таких поверхностей нагрева намного упрощается эк­ сплуатация и ремонт выпарной установки. Вариант выпарной установки с минимальной общей поверхностью нагрева рациона­ лен в том случае, когда изготовление аппаратов с одинаковой поверхностью нагрева требует большего расхода ценных мате­ риалов.

В промышленности большое применение получили выпарные установки, корпуса которых имеют одинаковые поверхности на­ грева.

Учитывая, что тепловые нагрузки по корпусам различны и определяются количеством выпаренной воды, выведем аналити­ ческую зависимость для распределения общей полезной разнос­ ти температур At по корпусам установки.

В соответствии с основным уравнением теплопередачи

Q = kF At

полезные разности температур в корпусах равны:

Так как по условию Fl= F2 =--- = F то, заменяя F\, F2 и Fn ве­ личиной F и складывая полезные разности температур отдель­

167

или для любого п корпуса

а для установок с минимальной общей поверхностью нагрева

(216)

4.О РАБОТЕ ВЫПАРКИ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ НАКИПИ

Вусловиях образования накипи интенсивность выпаривания значительно уменьшается, что зачастую требует остановки аппа­ рата на чистку. Термическое сопротивление накипи зависит от состава веществ, отлагающихся на поверхности нагрева, струк­ туры и пористости накипи, а количество ее — от скорости цир­ куляции раствора и других факторов.

Процесс постепенного образования накипи на поверхности нагрева вызывает с течением времени изменение режима работы корпусов выпарки вследствие снижения коэффициентов теплопе­ редачи в результате роста термического сопротивления накипи

#н=6нАн. При этом производительность установки снижается и может оставаться прежней лишь при условии, когда имеется воз­ можность повышать разность температур между греющим па­ ром и кипящим соком.

При постоянных значениях тепловой нагрузки продолжитель­ ность работы выпарки до остановки ее на чистку зависит в ос­ новном от интенсивности отложения накипи. Одним из способов

уменьшения количества накипи, отлагающейся в трубах, явля­ ется повышение скорости циркуляции сока; для аппаратов с ес­ тественной циркуляцией ее можно повысить до 0,4—0,6 м/с, а для аппаратов с принудительной циркуляцией — до 2,0—2,5 м/с. При такой скорости циркуляции создаются условия для вынесе­ ния зоны кипения за пределы кипятильной трубы и, как установ­ лено опытами, именно отсутствие кипения жидкости в трубах играет главную роль в значительном ( ~ до 50%) снижении об­ разования накипи.

Увеличить скорость циркуляции в аппаратах с естественной циркуляцией можно повышением уровня выпариваемого сока до полной высоты кипятильных труб вместо существующих ре­

168

жимов, при которых уровень сока в аппарате составляет от 30 до 60% от высоты кипятильной трубы. Повышение уровня сока и снижение интенсивности образования накипи несколько улуч­ шит теплопередачу и увеличит период работы выпарки до оста­ новки на чистку примерно на 60—70% по сравнению с работой в обычном режиме.

5.ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ, ИХ ВИДЫ, УСТРОЙСТВО И РАБОТА

Выпарные аппараты делятся:

1) по расположению поверхности нагрева — на вертикальные, горизонтальные и наклонные;

2) по конфигурации поверхности нагрева — на аппараты со змеевиками, трубчаткой, подвесной камерой из кольцевых эле­ ментов и с рубашкой;

3)по компоновке поверхности нагрева — на аппараты с внут­ ренней и выносной поверхностями нагрева;

4)по кратности циркуляции — на аппараты с однократной циркуляцией (прямоточные), в которых раствор проходит через поверхность нагрева один раз, и с многократной циркуляцией, в которых раствор циркулирует несколько раз;

5)по режиму циркуляции — на аппараты с принудительным (от насоса) движением раствора, аппараты с организованной

естественной’циркуляцией, характеризующейся наличием опре­ деленного циркуляционного контура, и аппараты с неорганизо­ ванной естественной циркуляцией, когда раствор перемещается

ваппарате в неопределенном направлении.

Вотдельных случаях для перемешивания упариваемого раст­ вора аппарат оборудуют мешалкой.

Учитывая большое значение характера циркуляции, особен­ но при выпаривании концентрированных растворов, примем его

вкачестве определяющего признака при рассмотрении кон­ струкций выпарных аппаратов.

К аппаратам с организованной естественной циркуляцией от­ носятся, например, вертикальные выпарные аппараты с внут­ ренней циркуляционной трубой и аппараты с наклонной поверх­ ностью нагрева.

Выпарной аппарат, изображенный на рис. 89, а, состоит из корпуса 1, поверхности нагрева 2, центральной циркуляционной трубы 3, сепарационного пространства 4, брызгоуловителя 5 и смотровых стекол 6.

Поверхность нагрева аппарата представляет собой кипятиль­ ные трубы диаметром 33—57 мм и высотой 2—4 м, жестко за­ крепленные в двух трубных решетках; кипятильные трубы сна­ ружи обогреваются паром. Организованная циркуляция кипя­ щего раствора в аппарате обеспечивается разностью между плотностями парожидкостной смеси в кипятильных трубах и жидкости в центральной циркуляционной трубе.

169