Поверхностные конденсаторы

КОНДЕНСАЦИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Конденсация — это процесс сжижения пара;

он широко применяется:

- в технике пищевой промышленности для различных целей:

- создания разрежения в выпарных аппаратах;

- использования теплоты конденсации пара для нагрева аппаратуры (в теплообменниках с паровым обогревом);

- для разделения систем, состоящих из компонентов с различными температурами сжижения;

- в холодильных, сушильных, паротурбинных установках.

Различают поверхностные конденсаторы и конденсаторы смешения.

Поверхностные конденсаторы применяются в случае, когда конденсат надо сохранить в чистом виде (например, конденсат хладагента или сжижаемые спиртовые пары); эти конденсаторы представляют собой поверхностные (обычно трубчатые) теплообменники с некоторыми специфичными деталями, устройство которых обусловлено в основном способом охлаждения паров. Хладоносителем обычно является вода или воздух; водяное охлаждение бывает проточным или испарительным.

К конденсаторам смешения относятся прямоточные и противоточные смешивающие конденсаторы, а также струйные (эжекторные) конденсаторы. В этих конденсаторах паровой поток соприкасается с охлаждающей водой; получается конденсат в смеси с этой водой.

Таким образом, в конденсатор подводятся пар и охлаждающая среда (вода, воздух); из конденсатора отдельными насосами отводятся конденсат (либо конденсат в смеси с охлаждающей водой), воздух и другие неконденсирующиеся газы, поступившие с рабочими средами и через неплотности системы. Иногда газы отводятся вместе с конденсатом мокровоздушным насосом.

 

ПОВЕРХНОСТНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

2.1 КОНСТРУКЦИИ КОНДЕНСАТОРОВ

Поверхностные конденсаторы встречаются различных конструкций.

На рис. 1 изображена схема горизонтального кожухотрубного конденсатора паротурбинной установки; этот конденсатор расположен под турбиной и присоединен непосредственно к ее выхлопному патрубку. Конденсация происходит на наружной поверхности горизонтальных труб. Для охлаждающей воды

Рис 1. Схема горизонтального кожухотрубного конденсатора

в трубном пространстве обычно имеются два хода; конфигурация трубных пучков обеспечивает равномерное распределение пара в сечении конденсатора, а также охлаждение отсасываемого воздуха перед выходом его из конденсатора.

Рис. 2. Элементный конденсатор холодильной установки-1 - маслоспускной вентиль; 2 - воздушный кран; 3 - водяной кран.

 

В нижней части корпуса установлен сборник для конденсата. Конструкция этого конденсатора обеспечивает глубокое разрежение и чистоту получаемого конденсата.

На рис. 2 показан элементный конденсатор холодильной установки; в нем сжижаются пары аммиака. Элементные конденсаторы аналогичны двухтрубным типа «труба в трубе»; отличаются они только тем, что внутри трубы большего диаметра помещена не одна, а несколько труб меньшего диаметра, например 5—7 труб. Эти трубы развальцовываются в трубных решетках, приваренных к концам наружной трубы, и образуют в каждом элементе один ход.

Элементы по трубному пространству соединены между собой соединительными элементами (калачами); межтрубные пространства соединяются приваренными патрубками. Хладагент подается сверху в межтрубное пространство, проходит последовательно через все элементы и стекает в ресивер. Через трубное пространство протекает охлаждающая вода. Конденсаторы этого типа тяжелы и громоздки, но обеспечивают надежную работу при сравнительно высоких давлениях.

К поверхностным конденсаторам относятся разнообразные дефлегматоры и холодильники перегонных установок.

Испарительный (или оросительно-испарительныи) конденсатор (рис. 3)

Рис. -3 Схема устройства оросительно-испарительного конденсатора

состоит из рядов труб; в этих трубах пар конденсируется за счет нагревания и испарения охлаждающей воды, орошающей внешнюю поверхность труб, а также за счет нагревания воздуха, циркулирующего между трубами.

Охлаждающая вода возвращается из сборного бассейна в распределительные желоба. Убыль испарившейся воды пополняется через сборный бассейн.

Циркуляция воздуха (естественная или искусственная) обеспечивает удаление паров от наружной поверхности конденсатора.

Испарительные конденсаторы громоздки, имеют много соединений; обычно их устанавливают вне зданий, что приводит к зависимости режима их работы от атмосферных условий.

Иногда применяют конденсаторы с воздушным охлаждением (воздушные конденсаторы).

 

2.2 КОНДЕНСАЦИЯ ПАРА В ПОВЕРХНОСТНЫХ КОНДЕНСАТОРАХ

И ИХ РАСЧЕТ

Обозначим через Т° С температуры пара и конденсата и через t°C температуры стенки и охлаждающей воды с соответствующими индексами (рис. 4, а, б, в).

Насыщенные пары конденсируются при постоянной температуре Т_к, отдавая скрытую теплоту испарения. Однако температура конденсата обычно ниже Т_к вследствие переохлаждения

Рис 4. Изменение температур рабочих сред при конденсации.

конденсата (см. рис. 4, а). Конденсат, образующийся в верхней части поверхности нагрева, стекает по холодной поверхности, стремясь принять температуру этой поверхности. С другой стороны, выпавший и охлажденный конденсат, соприкасаясь с паром, подогревается. Поэтому при выходе из аппарата конденсат имеет некоторую среднюю температуру между температурами пара и холодной поверхности. Степень переохлаждения конденсата Т_к — Т₂ зависит от ряда факторов: температуры стенки; расположения поверхности нагрева; содержания воздуха и неконденсирующихся газов и пара; потери давления пара при движении его через проточную часть аппарата; количества протекающего пара и др.

Степень охлаждения конденсата увеличивается при:

а) удлинении пути стекания конденсата по поверхности нагрева;

б) уменьшении количества конденсирующегося пара;

в) увеличении потерь давления в связи с снижением температуры конденсации

(например, в длинных трубах змеевиковых конденсаторов);

г) увеличении содержания воздуха и газов в связи с уменьшением парциального давления пара в паро-газовой смеси при данном общем давлении.

При проектировании конденсаторов, предназначенных только для конденсации, переохлаждением обычно пренебрегают, полагая Т_к = Т₂ При значительном переохлаждении конденсата поверхность нагрева условно разбивают на две зоны — зону конденсации и зону охлаждения. Для случая противотока изменение температур рабочих сред в этих зонах показано на рис. 4, а. В каждой зоне будут разные коэффициенты теплопередачи и различные температурные перепады. Тепловые нагрузки находят раздельно для каждой зоны:

где D — количество конденсирующегося пара в кг/ч;

С₁ — теплоемкость конденсата в ккал/ (кг • град);

W — количество охлаждающей воды в кг/ч;

Т_к — температура конденсации в °С;

Т₂ — температура переохлаждения конденсата в °С;

t₁ и t₂ — начальная и конечная температуры охлаждающей воды;

t_a — температура воды на условной границе зон конденсации и охлаждения.

Из уравнений (XIV-1) и (XIV-2) получим

Из этого уравнения определяется t_a; это дает возможность найти температурные перепады, коэффициенты теплопередачи и поверхности нагрева по зонам:

Вся поверхность нагрева конденсатора

При перегретом паре конденсатор условно делится на три зоны (см. рис.4, б). Если при противотоке температура стенки поверхности нагрева t _ст1, выше температуры конденсации Т_к, то в первой зоне происходит только охлаждение перегретого пара; для этой зоны коэффициент теплоотдачи от пара к стенке α_пер рассчитывается так же, как для газов. Конденсация начнется в сечении ММ (см. рис. 4, в), когда температура стенки t _ст1 достигнет температуры конденсации Т_к.

Значения Т_м и t_M определяются из таких уравнений:

где с_п— теплоемкость пара.

 

Тепловая нагрузка первой зоны

где Т\ — температура перегретого пара.

Определив значения t_пер и k_пер для участка перегрева, найдем поверхность нагрева первой зоны:

Во второй зоне пар конденсируется при одновременном охлаждении от Т_м до Т_к; поэтому тепловая нагрузка зоны конденсации будет

где Q'_пер —теплота охлаждения пара.

Поверхность нагрева зоны конденсации

На этом участке при вычислении Δt_конд расчетной температурой является температура конденсации Т_к.

Для расчета дефлегматоров и холодильников используют диаграммы состав температура при постоянном давлении (рис. 4, г). На горизонтальной оси отложены молярные доли легкокипящего компонента в жидкой смеси х и в паровой фазе у. На вертикальной оси — температуры кипения. Так как составы жидкой и паровой фаз не одинаковы (у ≠ х), то данной температуре кипения соответствуют сразу две точки на кривых х и у. В данном случае показана диаграмма для смешивающихся жидкостей.

Конденсация паров состава у начинается при температуре t₁ и заканчивается при температуре t₂. Промежуточной температуре t соответствует конденсат состава х_а и пар состава у_а; степень конденсации равна отношению отрезков bс/ас.

В связи с непрерывным изменением температуры и состава конденсата поверхность нагрева рассчитывают по методу конечных разностей; для этого интервал t₁ — t₂ разбивают на участки по 2—3 град и определяют поверхность нагрева для каждого участка; результат суммируется:

 

КОНДЕНСАТОРЫ СМЕШЕНИЯ

3.1 КОНСТРУКЦИИ КОНДЕНСАТОРОВ

Конденсаторы смешения применяются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом (в вакуум-аппаратах, выпарных установках, вакуум-сушилках, вакуум-фильтрах и пр.). Кроме того, в некоторых случаях конденсаторы снабжают производство горячей водой (на сахарных заводах).

В заводских условиях важно получить наибольший вакуум. Увеличение разрежения достигается в основном снижением температуры охлаждающей воды и удалением газов из конденсатора.

Общее давление в конденсаторе равно сумме парциальных давлений водяного пара и воздуха. Непрерывный отсос воздуха снижает его парциальное давление и поддерживает вакуум; скопление же газов уменьшает разрежение. Воздух обычно откачивают поршневыми или водокольцевыми насосами из того места конденсатора, где температура минимальна, так как при этом массовая производительность насоса будет максимальной.

В конденсаторах смешения обеспечивают развитую поверхность контакта и достаточное время соприкосновения пара с водой. Конденсат удаляется жидкостными или мокровоздушными насосами, а из конденсаторов высокого уровня (барометрических) — самотеком через сливную трубу.

На рис. 5 изображен полочный барометрический конденсатор с противоточным движением воды и пара. Этот конденсатор получил широкое применение на сахарных заводах. Холодная вода через питатель, сглаживающий пульсации, подается на верхнюю полку и каскадами стекает вниз с полки на полку; уровень воды на полках регулируется подпорными планками, устанавливаемыми по уровню горизонтально.

Пар подводится под нижнюю полку и движется вверх, конденсируясь на водяных завесах между полками Расстояние между полками снизу вверх уменьшается соответственно уменьшению количества пара. Воздух отсасывается сверху через ловушку для отделения водяных брызг

Сливная (барометрическая) труба, в которой вода находится на уровне, соответствующем разрежению в конденсаторе, является гидравлическим затвором; она обеспечивает непосредственный слив охлаждающей воды в смеси с конденсатом без применения насоса. Барометрическая труба опущена в сосуд (ящик), откуда вода удаляется также самотеком или откачивается насосом, в зависимости от высоты установки. Сливная труба из брызголовушки также опущена в ящик или соединена с основной барометрической трубой.

При достаточном количестве воды конденсация завершается полностью в одном конденсаторе. Для получения более горячей воды (например, для питания диффузионной батареи) применяют двухступенчатую конденсацию (рис. 6). В первый конденсатор (предконденсатор, «форконденсатор») вода подается в недостаточном количестве, вследствие чего пар конденсируется лишь частично, но зато в первом отсеке сборника получается.горячая (барометрическая)вода. Оставшийся пар переходит в основной конденсатор для полной конденсации. Температура горячей воды регулируется подачей охлаждающей воды.

Другие типы конденсаторов смешения показаны на рис. 7 и 8. В смешивающем конденсаторе с параллельным течением воды и пара охлаж

 

 

Рис 6 Схема двухступенчатого барометрического конденсатора

 

Рис. 5 Барометрический конденсатор Рис 7 Конденсатор смешения с

смешения параллельным течением воды и пара

 

дающая вода под напором насоса или за счет разрежения в конденсаторе вспрыскивается через сопла в паровой поток. В других конструкциях дробление воды достигается иными способами (применение дырчатых тарелок, перегородок и пр.).

В струйных конденсаторах (см рис 8) охлаждающая вода поступает в камеру смешения через сопла с большой скоростью Конденсация пара происходит при соприкосновении

Рис. 8 Струйный конденсатор смешения

 

его со струями холодной воды. Воздух увлекается водой в диффузор; здесь происходит превращение кинетической энергии потока в потенциальную энергию - скорость водо-воздушного потока падает, а давление в нем возрастает. Воздух сжимается в диффузоре до более высокого давления и выбрасывается наружу вместе с водой. Необходимость в воздушном и откачивающем водяном насосах отпадает.

 

3.1 РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА

При теплоемкости воды, принимаемой равной единице, тепловой баланс конденсатора имеет вид:

где i — энтальпия пара в ккал/кг;

t₁ — температура охлаждающей воды в °С;

t₂ — температура барометрической воды в °С.

Удельный расход охлаждающей воды (кратность охлаждения)

Величина m обычно составляет 15—60 кг воды/кг пара.

При известном удельном расходе определяют часовое количество охлаждающей воды W = mD, кг/ч.

При расчете двухступенчатой конденсации обычно задаются необходимым количеством горячей барометрической воды Wб, по которому находят количество холодной воды W₁ для предконденсатора и количество пара D₁ которое будет в нем конденсироваться.

Тепловой баланс предконденсатора можно написать в таком виде:

где D₁ = Wб - W₁, так как количество пара D₁ в сумме с количеством холодной воды W₁ должно быть равно заданной величине W₆.

Таким образом,

Количество пара, конденсирующегося в основном конденсаторе,

Во всех случаях температура уходящей воды t₂ должна быть ниже температуры конденсации, соответствующей разрежению в конденсаторе; разница составляет в противоточных конденсаторах 1—3 град, в прямоточных — 5—6 град. Следовательно, удельный расход воды меньше в противоточных аппаратах.

Для выбора вакуум-насоса необходимо знать количество откачиваемого воздуха, поступающего с паром, водой и через неплотности в конденсаторе и вакуумной коммуникации. Объемное количество этого воздуха изменяется в зависимости от температуры и давления. Приближенно количество откачиваемого воздуха определяют в зависимости от количества конденсируемого пара D кг/ч:

где t — температура воздуха, поступающего в насос; обычно t = 25° С;

В — разрежение у насоса в мм рт. ст.; обычно В = 660 - 680 мм рт. ст.;

М = 0,0688 - опытный коэффициент, характеризующий содержание газа в парах.

Потребная мощность для воздушного насоса при изотермическом процессе

(с учетом водяного охлаждения насоса):

где р₁ — начальное давление воздуха перед насосом в кГ/м²;

р₂ — конечное давление воздуха в насосе в кГ/м²;

V₂ — производительность насоса в м³/сек;

η_из — к. п. д. насоса; η_из ~ 0,4 -0,6.

Определение размеров барометрического конденсатора разработано недостаточно. При расчете барометрического конденсатора определяют следующие размеры:

1) высоту конденсатора; ее рассчитывают в зависимости от степени нагрева воды и необходимого для этого времени контакта между водой и паром при определенных размерах капель, струй или завес охлаждающей воды;

2) сечение (диаметр) конденсатора; оно обусловливается производительностью конденсатора и допустимой скоростью пара в его свободном сечении;

3) высоту и диаметр барометрической трубы; их рассчитывают по расходу воды, по скорости выхода ее из конденсатора и по разрежению в нем.

Из теории нестационарного теплообмена следует, что связь между степенью нагрева воды

, безразмерным вре менем нагрева и условиями теплообмена воды с паром, характеризующимися критерием , выражается уравнением такого вида:

где Г — критерий геометрического подобия.

В явном виде уравнение (XIV-19) имеет сложный характер.

Для данной геометрической системы (например, для капель или струй воды)

Из этого уравнения, написанного в явной форме, можно найти зависимость между степенью нагрева воды и временем контакта воды и пара при различных исходных данных. Такие вычисления произведены заранее, и результаты представлены в виде таблиц, по которым можно подобрать степень нагрева, расстояние между полками, число полок в конденсаторе и др. Величину Е для конденсатора заданных размеров или высоту конденсатора Я в зависимости от заданной Е находят по продолжительности свободного падения воды:

На практике основные размеры конденсатора находят в зависимости от его диаметра d_K, определяемого при скорости пара w = 35 - 55 м/сек. Свободную площадь для прохода пара принимают равной 30—37% от всей площади сечения конденсатора. Число каскадов обычно 5—7; расстояние между верхними полками h_мин = 0,3 d_K, между нижними h_max = 0,6 d_K; в среднем h_ср = 0,4 d_K.

Патрубки рассчитывают в зависимости от скорости: для пара 40—50 м/сек, для воздуха 15 м/сек, для холодной воды около 1 м/сек. Скорость воды в барометрической трубе принимают около 0,3 м/сек. Теоретическая высота барометрической трубы должна соответствовать разрежению В мм рт. ст. в конденсаторе;

Найденную теоретическую высоту увеличивают для создания напора для преодоления гидравлических сопротивлений, обеспечения запаса на колебания уровня и на длину нижней части трубы, погруженной под уровень воды в сборнике (около 1м). В результате для обычного в практике разрежения 680 мм рт. ст. полная длина барометрической трубы получается около 11 м.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: