Краткие теоретические сведения. Аппараты, в которых происходит конденсация, называют конденсаторами

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 низкогоуровня (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 / w ²)^0,2 (h / d _э)^0,7, (4.4)

где d _э – эквивалентный диаметр плоской струи, м;

d _э = 2 b 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 = (10,33 b / 102) + [ w ² (1 + Σξ + λ H / d) / 2 g ] + 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 (10,33 b / 102) – высота столба воды в трубе, необходимая для уравновешивания атмосферного давления, вторая составляющая [ w ² (1 + Σξ + λH / d) / 2 g ] – 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) / (0,785 ρ 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(0,025 W + 10 D), (4.9)

где G _в – количества воздуха, кг/с.

Объем этого воздуха вычисляют по формуле:

V _в = 288 G _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.

Поиск по сайту: