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

что указывает на правильность распределения ее. 12. Определение поверхностей нагрева:

для / корпуса

Конденсацией называют процесс перехода пара или сжатого до критического состояния г^за в жидкое состояние. Сжижение пара достигается охлаждением его, а газа — сжатием с последу­ ющим охлаждением.

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

Аппараты, в которых происходит конденсация, называют конденсаторами. В качестве охлаждающего агента в них обыч­ но применяют воду, реже воздух и другие хладоносители. Раз­ личают 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

Поверхностные конденсаторы применяют в тех случаях, ког­ да необходимо получить конденсат в чистом виде или сконден­ сировать пары ценной жидкости (спирта, ацетона, бензина и др).

По устройству эти конденсаторы аналогичны поверхностным теплообменникам, из которых для конденсации широко приме­ няют теплообменники типа «труба в трубе», кожухотрубные и оросительные. Необходимая поверхность теплообмена конденса­ тора рассчитывается обычным путем с учетом следующих осо­ бенностей.

Для примера рассмотрим вертикальный кожухотрубный кон­ денсатор (рис. 95), служащий для конденсации перегретого во­

180

дяного пара с последующим охлаждением полученного конден­ сата до заданной температуры. Температурный график процесса показан в координатах Н—t, где Н — высота рабочей части кон­ денсатора (в м), а * — температура воды и пара (в °С).

С учетом особенностей протекающих в конденсаторе процес­ сов рабочую поверхность его по высоте условно разделим на три зоны: I — зона охлаждения

перегретого пара от темпе­ ратуры ta до температуры насыщения tn, I I — зона кон­ денсации пара, в которой процесс протекает при tn— ~ const, и III — зона охла­ ждения полученного во II зоне конденсата от tn до за­ данной конечной температу­ ры его t.

Так как процессы, проте­ кающие в этих зонах, раз­ личны, то общую поверх­ ность теплообмена конден­ сатора рассчитывают от­ дельно по зонам с учетом характерных для каждой из

них тепловой нагрузки Q, коэффициента теплопередачи k и сред­ ней разности температур At.

Обозначив через F0.n — поверхность теплообмена для охлаж­ дения перегретого пара, FK— поверхность теплообмена для кон­ денсации насыщенного пара и F0,к — поверхность теплообмена для охлаждения конденсата, то общая поверхность теплообмена

Составим тепловой баланс по зонам при условии полной кон­ денсации насыщенного пара (или сжатого до критического со­ стояния газа) в количестве D (в кг/с):

1) для зоны охлаждения перегретого пара Q0.п (в Вт) соста­

вит

где г — удельная теплота конденсации, Дж/кг;

3) для зоны охлаждения полученного конденсата от ta до за­ данной температуры t (в °С)

181

Это общее количество тепла Q воспринимается в конденсато­ ре водой, которая при этом нагревается от начальной темпера­ туры (в.н до конечной (в.к. Тогда тепловой баланс в конденсаторе выразится уравнением

(Qo.n Н" Qk~Т Qo-k) X = Wcb (tB.K ^b.ii) .

откуда расход воды на конденсатор W (в кг/с)

св (^в.к ' ' ^в-н)

где св — средняя теплоемкость воды, Дж/(кг-К).

При расчете подобного конденсатора по зонам согласно рис. 95 необходимо знать промежуточные температуры охлаж­

Например, из теплового баланса для 111 зоны

«о.к = Гс. ( 'в , - 'в . н).

-откуда

‘*— § t . < т

Температура воды, входящей в зону, должна быть ниже тем­ пературы выходящего из нее продукта не менее чем на 4—5° С. Необходимо также стремиться к тому, чтобы охлаждающая во­ да уходила из конденсатора с возможно более высокой темпера­ турой; при этом уменьшается расход холодной воды, а получа­ емая горячая вода может быть использована на технологические нужды.

Вместе с тем при использовании для целей охлаждения во­ ды с высокой жесткостью при нагревании ее до температур вы­ ше 60—65° С наблюдается значительное отложение накипи на поверхности труб, из-за чего резко ухудшается процесс теплооб­ мена, расчетная поверхность конденсатора не обеспечивает оп­ тимального проведения процесса и зачастую установку прихо­ дится останавливать на чистку.

Для предотвращения образования солевых отложений на ра­ бочих поверхностях теплообменных аппаратов, охлаждаемых во­ дой с повышенной жесткостью, рекомендуется в поступающую на теплообменник воду в течение 6—8 часов ежесуточно вво­ дить углекислый газ под давлением 250—300 кПа до достиже­ ния pH воды 5,6—5,8. Как показала практика работы теплооб­ менников в заводских условиях в течение ряда лет, образующая­ ся при этом в воде угольная кислота разрушает выделяющиеся соли без ущерба для металла, из которого изготовлены трубы.

182

3. КОНДЕНСАТОРЫ СМЕШЕНИЯ

Конденсаторы смешения применяются для конденсации неис­ пользуемых в производстве водяных паров низкого потенциала и паров жидкостей, практически не растворяющихся в воде. В за­ висимости от способа вывода воды и газов из этих аппаратов различают конденсаторы смешения мокрые и сухие.

Из мокрого конденсатора смешения (рис. 96, а) охлаждаю­ щая вода, образующийся из пара конденсат и выделяющиеся из них неконденсирующиеся газы откачиваются совмест­ но мокровоздушным насо­ сом, тогда как из сухого (барометрического) конден­ сатора (рис. 96, б) охлажда­ ющая вода вместе с конден­ сатом отводятся снизу кон­ денсатора самотеком, а не­ конденсирующиеся газы из верхней части конденсатора откачиваются вакуум-насо­ сом. Поэтому расход энер­ гии на сухие конденсаторы смешения значительно мень­ ше, чем на мокрые; этим и объясняется широкое при­ менение барометрических конденсаторов в промыш­ ленности.

В зависимости от на­ правления движения пара и воды различают конденсато­ ры смешения противоточные и прямоточные. В мокром прямоточном конденсаторе (см. рис. 96, а) конденсиру­ ющийся пар и распыленная охлаждающая вода движут­ ся в одном направлении, тогда как в барометричес­ ком конденсаторе эти взаи­ модействующие среды дви­ жутся противотоком. Баро­

метрический конденсатор смешения (см. рис. 96, б) состоит из корпуса 1, снабженного полками или тарелками 2, ловушки 3, барометрической трубы 4 и барометрического ящика 5. В корпусе строго горизонтально устанавливают 5—7 полок или тарелок, обеспечивающих тесный контакт воды с конденсирующимся паром.

183:

Конденсаторы смешения с распределением воды сплошными цилиндрическими или плоскими струями выполняются с полка­ ми или тарелками различных конструкций. Широкое применение получили сегментные перфорированные и сплошные полки. Пер­ форированные полки с отверстиями диаметром 8—10 мм обеспе­ чивают орошение цилиндрическими струйками но всему сечению полки; при этом через отверстия проходит примерно 50% от всей подаваемой в конденсатор воды; остальная вода стекает с полки плоской струей через борта высотой 60—80 мм. Теплооб­ мен между паром и водой эффективней проходит в конденсато­ рах с перфорированными полками и хуже — при стекании воды с полок плоскими струйками. Однако на практике чаще пользу­ ются сплошными полками и тарелками, так как перфорирован­ ные полки быстро загрязняются примесями воды или образую­ щейся накипью.

В связи с уменьшающимся кверху количеством несконденсировавшегося пара для достижения полной конденсации его рас­ стояние между полками по ходу движения пара желательно де­ лать уменьшающимся, однако по конструктивным соображениям ■его обычно делают одинаковым.

Сегментные полки отличаются недостаточо развитой длиной водослива, а следовательно, и малой поверхностью контакта между паром и водой, что ограничивает их производительность. Более эффективным является конденсатор с чередующимися по высоте полками (рис. 96,в): верхняя полка с двумя бортами ус­ танавливается по центру корпуса, а под ней — две симметрично расположенные сегментные полки и т. д. Благодаря такому рас­ положению полок вода сливается с полки двумя параллельными потоками и длина водослива почти в 2 раза больше, чем в обыч­ ной сегментной полке. Полка занимает около (0,7-^-0,8) DK кор­ пуса конденсатора.

На ряде заводов применяют тарельчатые конденсаторы, ра­ ботающие по схеме, показанной на рис. 96, г.

Барометрическая труба обеспечивает отвод воды и конденса­ та самотеком; будучи опущенной почти до основания барометри­ ческого ящика и погруженной на 1,0—1,5 м в воду, труба явля­ ется гидравлическим затвором для воздуха, способного попасть в систему извне.

Температура отходящей из конденсатора барометрической воды на 2—6° С ниже температуры пара, поступающего в кон­ денсатор. На практике для создания в конденсаторе необходи­ мого вакуума температуру барометрической воды поддержива­ ют не более 45—46° С.

Если производству часть барометрической воды нужна с бо­ лее высокой температурой (55—56° С), конденсацию паров про­ изводят в двух последовательно соединенных корпусах; тогда в первый корпус подают лишь часть необходимой воды и в нем происходит частичная конденсация пара с получением более го­

J84

рячей воды, а во втором — окончательная конденсация оставше­ гося пара и из него получают теплую воду.

При расчете барометрического конденсатора определяют: расход охлаждающей воды, размеры корпуса, число полок, раз­ меры барометрической трубы и количество воздуха, подлежа­ щего откачке вакуум-насосом.

Пренебрегая теплом с уходящим воздухом, расход воды наполную конденсацию пара в однокорпусном конденсаторе со­ гласно рис. 97 определяют из следующего теплового баланса:

а количество пара D2 (кг/с), оставшегося для конденсации во втором корпусе,

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

185,

м /с— для охлаждающей воды и 0,3—0,5 м/с — для барометриче­ ской воды.

Число полок в конденсаторе определяют по методу, предло­ женному И. И. Чернобыльским, в основу которого положен про­ цесс теплообмена между цилиндрической струей воды и паром в

F — поверхность контакта пара и воды, м2.

С другой стороны, количество тепла, воспринимаемое водой от пара QB ( в Вт)

где до=/дор— количество нагреваемой воды, кг/с; f — площадь сечения струи, м2;

ДО— скорость движения струи, м/с; р— плотность воды, кг/м3; с— теплоемкость воды, Дж/(кг-К)-

Приравнивая правые-части уравнений (233) и (234) и разде­ ляя переменные, получим

Интегрируя это уравнение от (tH—/в,) до (tH—U2) и по F, по­ лучим

*в- 'в

Значение — = р (в м/ч) в этом уравнении представля-

рс

.ет собой коэффициент масеообмена, а отношение — характери-

до

зует интенсивность теплообмена в процессе конденсации пара.

дения струи dH (равноценную расстоянию между полками) и

диаметр струи й?отр> т. е.

dF _ dHndCTр _ 4dH

f nd/тр dcTP

4

186

Для функциональной зависимости последнее выражение

ной зависимости (236) общего вида получена следующая расчет­ ная формула:

Уравнение (237) дает возможность рассчитать нагрев воды при перетекании ее с полки на полку и количество сконденсиро­ вавшегося при этом пара. Последовательно проводя расчет от полки к полке (начиная с верхней), определяют количество по­ лок, необходимое для нагрева охлаждающей воды в конденсато­ ре до температуры на 2—6° С ниже температуры насыщенного пара, поступающего в конденсатор.

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

, + ^в.н

lg

Расстояние между верхними полками принимают # = 0 ,3 DK; между нижними — # = 0,6 в среднем # = 0 ,5 , где £>к — диа­ метр корпуса конденсатора (в м).

187

Высоту барометрической трубы Я (в м) (от уровня воды в ^барометрическом ящике до парового патрубка в корпусе) рас­ считывают по формуле

—сумма коэффициентов сопротивления на входе воды в трубу и на выходе из нее; принимают 2§= 1,5;

воды в трубе, необходимая для уравновешивания атмосферного давления, вторая составляющая — напор, необходимый для пре­ одоления сопротивлений в барометрической трубе и сообщения воде скорости w (в м/с).

Высота 0,5 м прибавляется для того, чтобы вода не залива­ ла паровой патрубок конденсатора при увеличении вакуума. Так как нижняя часть трубы примерно на 1 м погружена в воду в барометрическом ящике, то для обычного в практике вакуума 87—90 кПа полную высоту барометрической трубы принимают не менее 10—11 м.

Диаметр барометрической трубы d (в м) находят из урав­ нения

, /~ (D + W) 4

(240)

Г3,14ра>

-где D — количество получаемого конденсата, кг/с; W— расход охлаждающей воды, кг/с;

w — скорость движения воды в барометрической трубе, м/с; р — плотность воды, кг/м3.

Для определения количества воздуха, откачиваемого из кон­ денсатора вакуум-насосом, пользуются следующей эмпириче­ ской формулой

тде W— расход охлаждающей воды, кг/с;

D — количество конденсирующегося пара, кг/с.

Для определения объема воздуха необходимо знать его тем­ пературу и парциальное давление. Для противоточных конден­ саторов температура воздуха определяется по следующей эмпи­ рической формуле:

•где tB.Hи tB.K— начальная и конечная температура охлаждающей воды, °С.

Парциальное давление воздуха рв (в Па) находят по фор­ муле

488

где р— общее давление в конденсаторе, Па; рп — парциальное давление пара, которое принимается равным давлению

насыщенного пара при температуре'воздуха tB.

Объем воздуха Гв (в м3/с), отсасываемого вакуум-насосом, вычисляют по формуле

GB= 0,001 (0,025-12,8 + 10-0,59) = 0,006 кг/с.

Температуру воздуха определяем по формуле (242)

tB= 20 + 0,1 (46,4 — 20) + 4 = 26,6° С.

Общее абсолютное давление в конденсаторе при tB = 49,4° С

р — 12 кПа.

Парциальное давление водяного пара при fB= 26,6°C

189