Поверхневі конденсатори

Їх застосовують тоді, коли треба отримати конденсат у чистому вигляді або створити розрідження в апаратах, конденсат вторинної пари в яких є цінним матеріалом. Теплота пари в них відводиться крізь стінку, що омивається з другого боку найчастіше водою. Як поверхневі конденсатори можуть використовуватись будь-які теплообмінні апарати рекуперативного типу. Проте процес теплообміну в них складніший, ніж у теплообмінниках з паровим обігрівом, оскільки відбувається в кілька стадій, відмінних одна від одної.

Розглянемо як наприклад вертикальний кожухотрубний конденсатор (рис.1), призначений для конденсації перегрітої пари в кількості D, кг/с, з наступним охолодженням отриманого конденсату. В такому апараті вздовж трубок заввишки Н проходять послідовно три процеси: охолодження перегрітої пари від температури t_п.п., ^оС, до температури насичення t_н (зона I), конденсація насиченої пари при t_н = const (зона ІІ) і охолодження отриманого конденсату до заданої кінцевої температури t_k (зона ІІІ).

Оскільки процеси в цих умовно позначених зонах за фізичною суттю різні, то площу поверхні теплообміну F_i розраховують стосовно до теплового навантаження Q_i, коефіцієнта теплопередачі k_i і середньої різниці температури Δt_срі для кожної зони:

F_i = Q_i / (k_i Δt_срі)

Тоді загальна площа поверхні теплообміну конденсатора F, м², дорівнюватиме сумі F₁ + F₂ + F₃.

Позначивши витрати охолоджувальної води W, кг/с, її початкову і кінцеву температури відповідно t_в.п. та t_в.к. ^оС, запишемо рівняння теплового балансу в конденсаторі

Q = x (Q₁ + Q₂ + Q₃) = WC_B(t_в.к. – t_в.п.)

де с_в – питома теплоємність води, Дж/(кг·К);

х – коефіцієнт, що враховує теплові втрати від стінок конденсатора в навколишнє середовище (х = 0,95…0,97).

Рис. 1. Схема вертикального поверхневого конденсатора (до теплового балансу)

Щоб розрахувати W, Δt_срі, k_i i F_i, складають теплові баланси для кожної зони:

Q₁ = xDc_n.n.(t_n.n. – t_н.) = Wc_в (t_в.к. – t_в1);

Q₂ = xDr = Wc_в(t_в1 – t_в2);

Q₃ = xDc_к.(t_н. – t_к.) = Wc_в(t_в2 – t_в.п.)

де с_п.п., с_к – питомі теплоємності перегрітої пари і конденсату відповідно,

Дж/(кг·К);

r – теплота конденсації насиченої пари, Дж/кг;

t_в1, t_в2 – проміжні температури на межі зон, °С.

З урахуванням рівнянь, рівняння теплового балансу в конденсаторі матиме вигляд:

Q = xD(i – c_к.t_к.) = Wc_в(t_в.к. – t_в.п.)

де і = с_п.п.(t_п.п. – t_п.) + r + c_к.t_н. – питома ентальпія перегрітої пари, Дж/кг. Звідси витрата охолоджувальної води, кг/с.

Якщо охолоджувальна вода з конденсатора буде виходити з якнайвищою температурою, то витрати її знизяться. Отриману при цьому гарячу воду можна використати на технічні потреби.

Потрібні для розрахунку F_i проміжні температури охолоджувальної води t_в1 і t_в2 визначають із рівнянь:

;

r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> .

Визначивши ці величини, можна знайти для кожної зони Δt_срі, К_і і F_i, і загальну площу поверхні конденсатора F. У разі конденсації пари без помітного охолодження конденсату конденсатор розраховують тільки стосовно II зони.

Якщо поверхневі конденсатори використовують для створення розрідження у вакуумних установках, то температура охолоджувальної води має бути нижчою від кінцевої температури конденсату не менше ніж на 5 °С. Ступінь розрідження, яке створюється внаслідок зменшення об'єму пари під час її конденсації, залежить від початкової температури охолоджувальної води та її питомої витрати m = W/D, що може досягати 100...110 кг води на 1 кг пари. Чим більша різниця між температурою конденсації пари і кінцевою температурою утвореного конденсату, тим більшим буде розрідження в конденсаторі. Кількість повітря і газів, що не конденсуються і відсмоктуються з конденсатора, залежить від їхнього вмісту в парі та від щільності з'єднань. Вибираючи вакуум-насос, вважають, що при конденсації 1 кг пари в апарат орієнтовно потрапляє 0,008 м повітря.

У поверхневих конденсаторах, в яких охолоджувальним середовищем є повітря (рис. 2), пару через патрубок 6 подають у труби 5, зовнішня поверхня яких виконана ребристою для збільшення поверхні теплообміну з боку повітря. Розподіл пари по трубах і відведення конденсату через патрубок 3 здійснюється за допомогою колекторів 7, розміщених з обох боків апарата. Гази, що не конденсуються, відводяться через патрубок 4. Повітря подають у міжтрубний простір вентилятором 8, що розмішується в патрубку. Щоб збільшити коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні труб, повітря після вентилятора зволожують, подаючи через форсунки 2 воду.

Рис. 2. Схема повітряного поверхневого конденсатора

Процес конденсації може застосовуватись для отримання із парової суміші фракцій конденсату з різним складом і тоді його називають фракційною конденсацією.

Розглянемо як приклад бінарну парову суміш, в якій компонент А має меншу температуру конденсації, ніж компонент В (t_л < ti_в).Для розрахунку використаємо графічну залежність температур кипіння 1 і конденсації 2 від складу пари і рідини. На горизонтальній осі координат відкладаємо вміст компонента A в рідкій (х) і паровій (y) суміші від 0 до 100% (мас) (% (мол)), а на вертикальній осі – температури кипіння рідини і конденсації пари.

Якщо парову суміш складу y ₀ (точка С частково конденсувати в першому конденсаторі охолодженням її від 1₂ до t₂, то більшою мірою буде конденсуватись компонент B, а вміст компонента А в отриманій фракції конденсату буде визначатись точкою D₁), і дорівнюватиме x₁. При цьому пара, яка не конденсується і виходить з конденсатора, збагачується компонентом A (точка С₁ вміст у₁). Повторивши часткову конденсацію цієї пари в наступному конденсаторі охолодженням її від t₂ до t₃, отримаємо другу фракцію конденсату з вмістом x₂ (x₂ > x₁) компонента A і так далі. Ступінь конденсації в першому конденсаторі дорівнює відношенню відрізків E₁C₁/D₁C₁, у другому – E₂C₂/D₂C₂, у третьому – Е₃С₃/D₃C₃.