5. Порядок проведения работы

5.1. Изучите материал рекомендованной литературы.

5.2. Внимательно прочтите настоящую инструкцию и сделайте из нее необходимые выписки.

5.2.1. Изучите классификацию теплообменников.

5.2.3. Изучите схемы теплообменников, принцип их действия.

5.3. Сделать вывод.

6. Содержание отчета

6.1. Начертите схему теплообменника

• кожухотрубного рис. 4.1 и 4.2 (Вар. 1…5)

• типа “труба в трубе” рис. 4.4 (Вар. 6…10)

• оросительного рис. 4.5 (Вар. 11…15)

• погружного змеевикового рис. 4.6 (Вар. 16…20)

• спирального рис. 4.7 (Вар. 21…25)

• с рубашкой и мешалкой рис. 4.8 (Вар. 26…30)

• шнекового рис. 4.9 (Вар. 31…35).

6.2. Нанести позиции на схемы и привести спецификации.

6.3. Привести краткое описание этих теплообменников.

6.4. Сделать вывод о проделанной практической работе.

7. Контрольные вопросы

7.1. Какова классификация теплообменных аппаратов?

7.2. Какое устройство кожухотрубного теплообменника?

7.3. Какое устройство двухтрубчатого теплообменника?

7.4. Какое устройство оросительного теплообменника?

7.5. Какое устройство погружного змеевикового теплообменника?

7.6. Какое устройство пластинчатого теплообменника?

7.7. Какое устройство спирального теплообменника и теплообменника с оребрением?

7.8. Какое устройство теплообменников с рубашкой и шнекового?

Практическое занятие № 10

Определение потери воды на барометрический конденсатор,

геометрических размеров корпуса и барометрической трубы

по заданным условиям

1. Цель работы

1.1. Изучить устройство барометрического конденсатора.

1.2. Привитие навыков определения расхода воды на барометрический конденсатор.

2. Перечень используемого оборудования

3. Перечень справочной литературы

3.1. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств.– М.: Агропромиздат, 1991.–432с. с.167…169.

3.2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.– М.: Химия, 1973.–752с. с.182…186.

3.3. Процессы и аппараты химической промышленности: Учебник для техникумов /П.Г. Романков, М.И. Курочкина, Ю.Я. Мозжерин и др.– Л.: Химия, 1989.–560с. с. 273…278.

3.4. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.– М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.–318с. с.168…175.

3.5. Баранцев В.И. Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств.– М.: Агропромиздат, 1985.– 136с. с.74…78.

4. Краткие теоретические сведения

Аппараты, в которых происходит конденсация, называют конденсаторами. В качестве охлаждающего агента в них обычно применяют воду, реже воздух и другие хладоносители. Различают поверхностные конденсаторы и конденсаторы смешивания.

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.

Конденсаторы смешения применяются для конденсации неиспользуемых в производстве водяных паров низкого потенциала и паров жидкостей, практически не растворяющихся в воде. Конденсаторы смешения используются для создания вакуума в различных аппаратах в результате конденсации отсасываемых паров. Для отвода теплоты конденсации паров служит холодная вода, которая, смешиваясь с конденсатом, сливается в канализацию. В зависимости от способа вывода воды и газов из этих аппаратов различают конденсаторы смешения мокрые и сухие.

Различают прямоточные и противоточные конденсаторы смешения (в зависимости от направления потока пара и воды); конденсаторы высокого и низкого уровня (в зависимости от способа вывода воды и газов).

В противоточном сухом конденсаторе смешения (барометрический конденсатор смешения) взаимодействие пара и охлаждающей воды происходит в противотоке. Он состоит см. рис. 4.1 из корпуса 2, снабженного полками или тарелками 1, ловушки 3, барометрической трубы 4 и барометрического сборника 5. В корпусе строго горизонтально устанавливают 5…7 полок, обеспе-чивающих тесный контакт воды с конденсиру-ющимся паром. Охлаждающая вода поступает на верхнюю перфорированную тарелку конденсатора, а пар – под нижнюю тарелку. Вода протекает с тарелки на тарелку в виде тонких струй через отверстия и борта. Взаимодействие пара с жидкостью протекает в межтарельчатом объеме конденсатора. Образовавшийся в результате кон-денсации пара конденсат вместе с водой выво-диться через барометрическую трубу, конец которой опущен в колодец; а воздух отсасывается

через ловушку водокольцевым вакуум-насосом.

Барометрическая труба обеспечивает отвод воды и конденсата самотеком. Будучи опущенной, почти до основания барометрического сборника и погруженной на 1,0…1,5 м в воду, труба является гидравлическим затвором для воздуха, способного попасть в систему извне и нарушить в ней заданный вакуум. Температура отходящей из конденсатора барометрической воды на 2…6ºС ниже температуры пара, поступающего в конденсатор. На практике для создания в конденсаторе необходимого вакуума температуру барометрической воды поддерживают не более 45…46ºС. Если производству требуется часть барометрической воды с более высокой температурой 55…56ºС, конденсацию паров производят в двух последовательно соединенных корпусах. Тогда в первый корпус подают, лишь часть необходимой воды и в нем происходит частичная конденсация пара с получением более горячей воды, а во втором – окончательная конденсация оставшегося пара и из него получают теплую воду.

Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под вакуумом. Обычно абсолютное давление в них составляет 0,01…0,02 МПа.

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

Расход воды на полную конденсацию насыщенного пара в однокорпусном конденсаторе рассчитывают по формуле:

W = D (і – с_в t_вк) / [с_в (t_вк – t_вн)], (4.1)

где W – расход воды на полную конденсацию насыщенного пара, кг/с;

D – количество конденсирующего пара, кг/с;

i – энтальпия пара, Дж/кг;

с_в – средняя теплоемкость воды, Дж/(кг К);

t_вн – начальная температура воды, ºС;

t_вк – конечная температура воды, ºС.

Диаметр корпуса конденсатора определяют по известному объему пара при рабочем давлении в конденсаторе и скорость движения пара в свободном сечении корпуса равная w = 18…22 м/с.

Пренебрегая изменением общего количества воды и конденсата, стекающих по полкам конденсатора, необходимое число ступеней процесса можно рассчитать по формуле:

n = log[(t_нас – t_вн) / (t_нас – t_вк)] / log[(t_нас – t_вн) / (t_нас – t_в1)], (4.2)

где n – число ступеней процесса;

t_нас – температура насыщенного пара, ºС.

t_вн – начальная температура воды, ºС;

t_вк – конечная температура воды, ºС;

t_вк = t_нас – (2…6)ºС, (4.3)

t_в1 – температура воды на выходе из первой полки, ºС.

Величину t_в1 можно определить по формуле:

log[(t_нас – t_вн) / (t_нас – t_в1)] = 0,029(g d_э /w²)^0,2 (h / d_э)^0,7, (4.4)

где d_э – эквивалентный диаметр плоской струи, м;

d_э = 2b δ / (b + δ), (4.5)

где b – ширина струи, м;

δ – толщина струи, м;

w – скорость истечения струи, м/с;

w = W / (b δ), (4.6)

где W – расход воды, м³/с;

h – расстояние между полками в конденсаторе, м.

Высоту барометрической трубы рассчитывают по формуле:

Н = (10,33b / 102) + [w² (1 + Σξ + λ H / d) / 2g] + 0,5, (4.7)

где Н – высота барометрической трубы, м;

b – разряжение в конденсаторе, кПа;

102 – давление в кПа, соответствующее 760 мм рт. ст.;

w – скорость воды и конденсата в барометрической трубе, м/с;

w = 0,3…0,5 м/с

Σξ – сумма коэффициентов сопротивления местных потерь напора;

Σξ = 1,5

λ – коэффициент сопротивления трению на прямом участке трубы;

λ = 0,02…0,04

d – внутренний диаметр барометрической трубы, м.

В уравнении (4.7) первая составляющая (10,33b / 102) – высота столба воды в трубе, необходимая для уравновешивания атмосферного давления, вторая составляющая [w² (1 + Σξ + λH / d) / 2g] – напор, необходимый для преодоления сопротивлений в барометрической трубе и сообщения воде скорости w. Высота (0,5 м) прибавляется для того, чтобы при увеличении вакуума вода не заливала паровой патрубок конденсатора и не попадала в примыкающий к нему аппарат. Так как нижняя часть трубы примерно на 1 м погружена в воду в барометрическом сборнике, то для применяемого обычно на практике вакуума, равного b = 87…90 кПа, полную высоту барометрической трубы принимают равной не менее Н = 10…11 м.

Внутренний диаметр барометрической трубы рассчитывают по формуле:

d = √(D + W) / (0,785ρ w), (4.8)

где D – количество пара (конденсата), кг/с;

W – количество воды, кг/с;

ρ – плотность барометрической воды, кг/м³;

w – скорость движения воды в барометрической трубе, м/с.

Для определения количества воздуха, откачиваемого из конденсатора водокольцевым вакуум-насосом, используется эмпирическая формула:

G_в = 0,001(0,025W + 10D), (4.9)

где G_в – количества воздуха, кг/с.

Объем этого воздуха вычисляют по формуле:

V_в = 288G_в (273 + t_в) / р_в, (4.10)

где V_в – объем воздуха, м³/с;

288 – газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг К);

t_в – температура воздуха, ⁰С;

t_в = t_вн + 0,1(t_вк – t_вн) + 4, (4.11)

р_в – парциальное давление воздуха, Па;

р_в = р – р_п, (4.12)

где р – абсолютное давление в системе, Па;

р_п – парциальное давление водяного пара, равное давлению насыщенного пара при температуре воздуха t_в ºС, Па.