4.5. Конденсация

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое или кристаллическое. Применяют конденсацию для создания разрежения в выпарных аппаратах, для использования теплоты конденсации в теплообменниках с паровым обогревом, для разделения систем, состоящих из компонентов с различными температурами сжижения, для создания вакуума путем конденсации паров, для утилизации теплоты испарения и др. Конденсация осуществляется в поверхностных или контактных (смесительных) конденсаторах.

Поверхностные конденсаторы применяют для получения чистых конденсатов без примеси охлаждающего агента (конденсат хладагента, спиртовые пары и др.). Обычно такими конденсаторами являются трубные аппараты: кожухотрубные, элементные, оросительные.

Элементные конденсаторы представляют собой одноходовые кожухотрубные аппараты (элементы), соединенные последовательно в батареи. Их обычно применяют для конденсации аммиака в холодильных установках при высоких давлениях. В таких аппаратах конденсирующийся компонент проходит через кожухи, соединенные между собой последовательно. По трубам, расположенным внутри кожухов (по 5...7 труб в каждом), проходит охлаждающая вода.

В оросительных конденсаторах сжижаемый компонент проходит по батарее труб, расположенных одна над другой, орошаемых водой и (или) обдуваемых воздухом. Их устраивают либо на открытом воздухе, либо закрывают кожухом со сборником охлаждающей воды и системой ее оборота в процессе.

В контактных конденсаторах пары конденсируются при смешивании с холодной водой

4.5.1.. Конденсация в контактных конденсаторах

Контактные конденсаторы применяют для создания вакуума путем конденсации паров, а также с целью получения горячей воды для технологических нужд. Увеличение вакуума в производственных условиях достигается откачкой неконденсирующихся газов, содержащихся в парах. Обычно это воздух, абсорбированныи водой (в частности, охлаждающей водой) или просачивающийся через неплотности соединений трубопроводов.

Теоретически возможный вакуум, создаваемый конденсаторами, соответствует давлению насыщенных паров воды при температуре на выходе конденсатора (при наибольшей ее температуре). Практически он недостижим вследствие наличия газов, абсорбированных водой, и неплотностей вакуумной системы.

Конденсаторы смешения различаются между собой способами удаления конденсата. Барометрические конденсаторы имеют отводящую вертикальную трубу высотой до Юм, поэтому конденсат из него удаляется самотеком. Из остальных аппаратов конденсат удаляется насосами.

Другим отличием конденсаторов является организация движе­ния воды в аппарате. В зависимости от этого конденсаторы делятся на полочные (каскадные), тарельчатые и со струйным вводом охлаждающей воды в поток пара.

Н а рисунке 27.3 изображен барометрический конденсатор, камеру смешения которого называют полочной (каскадной). Камера смешения этого конденсатора частично перегорожена полками, расположенными в шахматном порядке. Охлаждающая вода подается на верхнюю полку, стекает каскадами последовательно через все полки и удаляется через так называемую барометрическую трубу, опущенную в сосуд с водой. Пар подается под нижнюю полку, последовательно проходит через все каскады воды, и его остатки, содержащие главным образом неконденсирующиеся газы, удаляются вакуум-насосом через брызгоотделитель, который соединяется с барометрической трубой, куда стекают отсепарированные брызги. Основное назначение барометрической трубы — служить

разделителем среды внутри конденсатора и окружающего воздуха, так как эти среды находятся при разном давлении. Вместе с тем через такой разделитель свободно стекает вода из полостей конденсатора.

Вода в барометрической трубе поднимается на высоту Н, определяемую равенством

р_а-р_ост = ρgH

где р_а, р_0СТ — атмосферное и остаточное давление в конденсаторе, Па; р — плотность воды, кг/м³.

Контакт пара и охлаждающей воды осуществляется при проходе пара сквозь каскады (полок). Если теплота конденсирующегося пара должна ути­лизироваться, то для повышения температуры воды в барометрической трубе ее количество должно предельно уменьшаться. При этом конденсация пара в одном аппарате может не завершиться. Для гарантии завершения конденсации последовательно с первым устанавливают второй такой же конденсатор. В нем создается избыток охлаждающей воды.

На рисунках 27.4 и 27.5 приведены конструктивные схемы конденсаторов смешения.

Полочный конденсатор смешения (см. рис. 27.4) представляет собой цилиндрический корпус 11с коническим днищем 6, к фланцу которого присоединена барометрическая труба. Для образования плоских струй-завес внутри конденсатора установлены полки 4. Полки снабжены бортами и планками 13, через которые переливается вода. Назначение планок — регулирование толщины водяных завес и изменения их направления. Устанавливают планки таким образом, чтобы их верхняя кромка была расположена в горизонтальной плоскости.

Пар поступает в конденсатор через штуцеры 5 и 7 под нижнюю полку. Вода для охлаждения и конденсации пара из сборника направляется в воздухоотделительный и уравнительный сосуд 2 и далее — на верхнюю полку конденсатора. Переливаясь с полки на полку, вода образует каскады, сквозь которые движется пар. По мере продвижения вверх пар конденсируется. Барометрическая вода, представляющая собой смесь охлаждающей воды и конденсата пара, по барометрической трубе поступает в сборник. Не сконденсировавшиеся газы и воздух, поступившие в конденсатор с охлаждающей водой, паром и вследствие подсосов воздуха, откачиваются вакуум-насосом через ловушку 12. Выделенные в ловушке капли воды отводятся по своей трубе в сборник барометрической воды, либо эта труба врезается в основную барометрическую трубу. Люки 3, 9 и 10 служат для обслуживания и ремонта конденсатора.

В тарельчатом конденсаторе смешения с плоскими и линейными струями воды (см. рис. 27.5) охлаждающая вода по трубе 3 поступает на плоское сплошное днище верхней тарелки 2 и далее через зубчатый борт, образуя плоскую струю, сливается на кольцевое сплошное днище тарелки 4. Таким же образом, как и с верхней тарелки, вода сливается со всех последующих тарелок

Нижние тарелки 6 и 9 кроме плоских струй образуют цилиндрические струи, вытекающие из отверстий, изготовленных в их днищах.

Пар, подлежащий конденсации, по штуцерам 12 поступает в кольцевое пространство 10, из которого направляется к верхней части конденсатора. Пересекая по пути водяные завесы и струи, он конденсируется. Барометрическая вода по трубе стекает в сборник. Для отделения капель воды от газов и воздуха установлен отбойный щит 1.

Производительность полочного конденсатора можно значительно повысить путем увеличения площади поверхности каскада водослива, применив параллельные сливы (рис. 27.6). При этом скорость движения пара через каскад уменьшается и сам контакт пара с водой улучшается. Не изменяя количества полок и, следовательно, высоты конденсатора, общую площадь каскадов водослива можно увеличить почти в два раза, если расположить в одной горизонтальной плоскости две симметрично расположенные сегментные полки, а ниже — одну центральную полку с двусторонним сливом.

Положительное влияние на конденсацию пара оказывает уменьшение температуры воды. Она существенно снижается, если на нижние полки подается свежая вода, не подвергшаяся подогреву при движении по верхним полкам. Для реализации данного предложения требуется частично отводить подогретую воду за пределы конденсатора и подавать вместо нее холодную воду непосредственно на нижние полки. Эффект дает и простое добавление холодной воды на нижние полки конденсатора.

Глубину слоя воды на полке устанавливают путем выбора высоты порога на сливе, конструкция которого показана на рисунке 27.6 (узел А). Она должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить перемешивание воды на полке с целью выравнивания ее температуры перед входом на следующий каскад водослива

Рис. 27.6. Конденсатор с параллельными сливами:

1— штуцер для отвода несконденсировавшихся газов; 2 — корпус; 3 — центральная полка; 4— боковая полка; 5—штуцер для подвода пара; б—штуцер для присоединения барометрической трубы; 7— штуцер для подвода воды

Полки в конденсаторе выполняют двоякое назначение: они обеспечивают движение воды каскадами с полки на полку и перемешивание воды после каждой ступени с целью осреднения температуры. Вода, сливаясь с полки на полку, не должна падать на гребни водосливов, так как это нарушает плавность ее движения. Для этого полки должны перекрывать одна другую на величину Ас. Величина перекрытия является стрелкой сегмента. Исходя из экспериментальных данных, рекомендуется выбирать перекрытие полок не менее h_с = (D/2) + (100...200) мм (где h_c — стрелка сегмента, мм). Глубину слоя воды на полке выбирают равной 30...40 мм.

На схеме (рис. 27.7) показано последовательное соединение двух полочных конденсаторов, используемых как для получения горячей воды, так и для создания вакуума в выпарной установке.

На рисунке 27.8 изображена схема конденсатора смешения со струйным вводом охлаждающей воды в поток конденсирующегося пара. Конструкции струйных смесителей разнообразны. В качестве конденсаторов смешения можно применять скрубберы и другие контактные устройства. Во всех случаях используют следующие представления о характере процессов.

При пересечениях потоком пара водяной завесы она частично турбулизируется и разрывается. Контакт пара и воды происходит на границах раздела фаз: на завесах, разрывах и каплях. Конденсация пара идет очень интенсивно; скачок температуры на границах раздела не превышает 0,01 К, коэффициент теплоотдачи от пара воде достигает 2 • 105 Вт/(м2 • К); удельные массовые нагрузки поверхности конденсации доходят до 1600 кг/(м2 -ч).

Кинетику процесса теплопередачи определяют высота падения L и толщина струи δ, температурные напоры между фазами, скорости движения и плотность пара.

Тепловой баланс барометрического конденсатора имеет вид

D(i + ct₂)=Wc_в(t₂-t_l),

где D, W — массовые расходы соответственно пара и воды, кг/с; i— энтальпия пара, Дж/кг; с, с_в — удельные теплоемкости конденсата и воды, Дж/кг • К); t₁ t₂ — температуры охлаждающей и барометрической воды, ⁰С.

Кратность расхода охлаждающей воды, кг на 1 кг пара,

Рис. 27.7 Последовательное соединение

двух полочных конденсаторов

Значение т = 15...60. Задавая т, по известному D находят W. Если конденсатор двухступенчатый и в нем первая ступень служит для повышения температуры барометрической воды до заданной t₂, то при заданном расходе барометрической воды W_б, по уравнению теплового баланса определяют необходимый расход воды W₁ через первую ступень конденсации:

В двухступенчатых конденсаторах температура горячей воды t₂ ниже температуры конденсации, соответствующей разрежению в конденсаторе. Разница составляет 1...3°С в противоточных и 5...6 °С в прямоточных аппаратах.

Расход откачиваемого воздуха (м3/с) определяется из выражения

где t — температура воздуха на входе в вакуум-насос (около 25 °С); p₁ — давление на входе в насос, Па; β — эмпирическая постоянная, характеризующая содержание газа в парах.

Мощность (Вт) вакуумного насоса (с учетом затрат на охлаждение)

где ή — КПД насоса, ή = 0,4...0,6; р₂ — давление в конденсаторе, Па; — давление воздуха за насосом, Па; β — производительность по откачиваемому воздуху, м³/с

Размеры каскадного конденсатора рассчитывают в критериальной форме в виде связи критериев Фурье и Био с относительным нагревом воды. Результаты расчетов сводят в таблицы, по которым и определяют необходимые значения параметров. В расчетах выбирают значение скорости пара в конденсаторе w= 35...55 м/с; свободную площадь для прохода пара принимают равной 30...37 % от площади поперечного сечения конденсатора; число каскадов 5...7.

Высота трубы слива воды Н должна обеспечивать надежное разъединение вакуумированной полости конденсатора и атмосферы при одновременном свободном сливе воды из него. Определяют высоту трубы слива (м) по формуле

где 10,33 —высота водяного столба, соответствующая давлению 760 мм рт. ст., м; р_а— атмосферное давление, Па; р₁ — остаточное давление в конденсаторе, Па; р — плотность воды, кг/м³; v_B — скорость течения воды в трубе, м/с; λ — коэффициент сопротивления трения в трубе; 2,5 и 0,5 — коэффициенты, учитывающие потери давления на местных сопротивлениях и при возможных колебаниях вакуума в конденсаторе; d_тр — диаметр трубы слива, м.

При вычислении высоты трубы по данной формуле предполагается, что она опущена в воду сливной емкости на 0,5 м. В реальных условиях высота сливной трубы составляет 5...8 м.