Конденсатори змішування

Ці конденсатори застосовують для утилізації теплоти водяних парів низького потенціалу, для конденсації парів рідин, які практично не розчиняються у воді, тощо. Але найчастіше їх використовують для створення розрідження у випарних апаратах, вакуум-фільтрах та інших вакуумних установках, при роботі яких утворюється водяна пара (далі пара).

Пара надходить у камеру змішування конденсатора, де конденсується на поверхні падаючих крапель, струмин або плівок охолоджувальної води, а утворений конденсат змішується з останньою. Підігріта таким чином вода може використовуватись на виробництві.

При конденсації пари об'єм конденсату в тисячу і більше разів менше від об'єму пари, з якої він утворюється. Як наслідок у камері змішування конденсатора і під'єднаному до неї апараті створюється розрідження.

Одночасно з процесом конденсації відбувається накопичення у конденсаторі газів, які надходять разом з парою і не конденсуються, а також повітря, що виділяється з води при розрідженні і проникає крізь нещільності апаратури з навколишнього середовища. Внаслідок накопичення їх (в основному повітрі) зростає парціальний тиск газів і, відповідно, збільшується загальний тиск в апараті. Як наслідок зменшується розрідження в конденсаторі. Тому, щоб підтримати його на потрібному рівні, треба безперервно відводити з конденсатора гази, що не конденсуються, за допомогою вакуум-насоса.

Ефективність роботи конденсаторів змішування прямо залежить від площі поверхні, на якій відбувається теплообмін між водою і парою. Крім того, бажано, щоб ця поверхня не тільки була великою, а й безперервно оновлювалась. Цього досягають відповідною конструкцією камери змішування конденсаторів.

Конденсатори змішування бувають двох типів: мокрі та сухі. Відмінність між ними полягає у способі відведення з них газів, що не конденсуються: з мокрих ці гази відкачуються разом з водою і конденсатом одним і тим же насосом, а з сухих – відводяться окремо. Сухі конденсатори, у свою чергу, бувають низького і високого рівнів: з перших вода з конденсатом відкачується насосом, а з других відводиться самотечією.

Мокрі конденсатори. Їх використовують у малопродуктивних ва­куумних установках. Охолоджувальна вода під напором насоса надходить через патрубок 5 в центральну трубу 3 і крізь маленькі отвори в ній розбризкується по всьому простору камери змішування 1. Пару через патрубок 2 подають у верхню частину конденсатора. Суміш конденсату і води разом з газами через патрубок 4 відсмоктують мокроповітряним насосом.

Сухі конденсатори низького рівня. Їх застосовують для ва­куумних установок малої і середньої продуктивності. Пару й охолоджувальну воду подають в апарат відповідно через патрубки 3 і 4. Вода під напором насоса або завдяки розрідженню в конденсаторі через сопла 5 розбризкується в камері змішування 1. Через патрубок 6 з конденсатора відкачують воду з конденсатом, а гази відсмоктують вакуум-насосом через патрубок 2.

Сухі барометричні конденсатори високого рівня. Це одна з найпоширеніших конструкцій конденсаторів змішування. їх застосовують для вакуумних установок великої продуктивності. Основним робочим елементом конденсатора (рис. 3) є камера змішування 10 циліндричної форми з сегментними полицями 4, що більше ніж наполовину перекривають переріз конденсатора. Охолоджувальну воду попередньо подають через патрубок 5 у приймач 6, який згладжує її пульсації і в якому з води виділяється значна частина розчиненого повітря, а вже дегазована вода трубою 7 надходить на верхню полицю конденсатора. Вона каскадами стікає вниз з полиці на полицю, створюючи водяні завіси між ними. Рівень води на виставлених горизонтально полицях регулюється підпірними планками заввишки 40...80 мм, що виконують роль бортів полиць.

Через патрубок 3 під нижню полицю підводять пару, і вона рухається вверх звивистим шляхом, поступово конденсуючись на водяних завісах між полицями. У зв'язку з тим що кількість пари по висоті камери змішування поступово зменшується, відстань між полицями також бажано зменшувати від 0,6d_к між нижніми полицями до 0,3d_к між верхніми (d_k – діаметр конденсатора).

Рис.3. Схеми сухого барометричного конденсатора високого рівня (а) та камери змішування (б)

Суміш конденсату і води, яку називають у таких конденсаторах барометричною водою, через патрубок 2надходить у барометричну трубку 1, що заглиблена під рівень води в збірнику 11. Барометрична труба відіграє роль гідравлічного затвора, який унеможливлює проникання зовнішнього повітря через збірник і трубу в конденсатор і, крім того, дає можливість відводити воду з нього самотечією. Із збірника вода через патрубок 12 видаляється самотечією або відкачується насосом, залежно від мети її використання та висоти розташування збірника. Гази, що не конденсуються, збираються у верхній частині камери змішування і через уловлювач 8 захоплених бризок і патрубок 9 відсмоктуються вакуум-насосом.

У барометричних конденсаторах поряд із суцільними сегментними полицями застосовують перфоровані з отворами діаметром 8...10 мм. У цьому разі крізь отвори проходить у вигляді циліндричних струминок приблизно 40...50% від загальної витрати води. Решта води стікає з полиці через борти плоскими стру­минами. Це дає можливість збільшити площу поверхні контакту між парою і водою. Недоліком таких полиць є можливе забивання отворів домішками води і накипом.

Ефективним є застосування полиць різної конструкції, які чергуються по висоті камери змішування: верхня полиця 1 з двома бортами розміщується по центру камери змішування, а під нею – дві симетрично розміщені сегментні 2 і т.д. Фрагмент каме­ри змішування 10з такими полицями наведено на рис. 3 б. Завдяки такому роз­міщенню полиць довжина водозливу (бортів полиць) в конденсаторі збільшується практично вдвічі. Відповідно зростає вдвічі площа поверхні контакту між парою і водою порівняно з конденсатором із сегментними полицями.

Рис. 4. Схема двоступінчастого барометричного конденсатора

Щоб отримати гарячішу барометричну воду,яку в подальшому використовують для технологічних потреб, застосовують двоступінчастий конденсатор (рис. 4). У перший конденсатор воду подають у недостатній кількості, щоб пара конденсувалася неповністю. Пара, що не сконденсувалась, надходить у другий конденсатор для її повної конденсації,а гази,що не конденсуються, уже з нього відсмоктуються вакуум-насосом. Температура барометричної води в ньому нижча. Змінюючи кількість води,яку подають у перший конденсатор,можна регулювати температуру гарячої води.

Розрахунок поличного барометричного конденсатора. Коли розраховують такий конденсатор, визначають витрати охолоджувальної води, розміри камери змішування: її діаметр, кількість полиць у ній та висоту, а також розміри барометричної труби (діаметр і висоту) та кількість повітря, що відсмоктується вакуум-насосом.

При відомих витратах пари D, кг/с, і тиску в конденсаторі p, Па, витрату охолоджувальної води W, кг/с, визначають з рівняння теплового балансу

Di" + Wс_вt_в.п. = (D + W)c_в.t_в.к.

Звідки

де i " – питома ентальпія пари, Дж/кг;

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

t_в.п., t_в.к. – початкова і кінцева температури води відповідно, °С.

Питома витрата охолоджувальної води m = W/D становить від 15 до 60 кг на 1 кг пари. Температуру барометричної t_в.к. беруть на 3...4 °С нижче від температури насичення t_н., яка відповідає тиску в конденсаторі р.

Діаметр конденсатора визначають із рівняння витрат при швидкості пари w в його вільному перерізі в межах 12...18 м/с:

де ρ – густина пари при тиску р в конденсаторі, кг/м³.

За аналогічними формулами розраховують діаметри патрубків і діаметр барометричної труби, підставляючи відповідні витрати, густини та швидкості: 40...50 м/с – для пари; 12...15 – для повітря (газів, що не конденсуються); 1,0...1,2 – для охолоджувальної води і 0,3...0,5 м/с – для барометричної води.

Встановлено, що більша частина пари конденсується на верхніх полицях (тарілках). Тому, щоб спростити розрахунок і конструкцію конденсатора, беруть однаковими відстані між полицями h = 0,5d_к та загальні кількості води і конденсату на всіх полицях W₁ = W + D. За таких умов кількість полиць можна розрахувати за формулою

n = lg [(t_н. – t_в.п.) / (t_н. – t_в.к.)] / lg [(t_н. – t_в.п.) / (t_н. – t_в1)]

де t_в1 – температура води при вході на другу (зверху) полицю, °С. Цю температуру

розраховують з формули

lg [(t_н. – t_в.п.) / (t_н. – t_в.к.)] = 0,029 (gd_e/w²_п.)^0,2(h/d_e)^0,7

де d_e = 2bδ/(b + δ) – еквівалентний діаметр струмини, що стікає з першої полиці, м;

δ = 0,98d_к – ширина струмини,що дорівнює довжині борта полиці, м;

δ = V₁ / (w_ср.b) – товщина струмини, м;

V₁ = W₁ / р_в. – об'ємні витрати води, м /с, при середній температурі її t_ср.=0,5(1_в.п.+t_в.к.);

W_n = V₁ / (bh₁) – початкова швидкість стікання води з першої полиці, м/с;

w_ср. = 0,5 (w_п. + + 2gh)

h₁ – висота шару води над бортом полиці (водозливом), м

До кількості розрахованих полиць n що не перевищує 7, додають одну, резервну, і визначають висоту камери змішування.

Висота барометричної труби Н від патрубка 2 до рівня води у збірнику 11 дорівнює Н₁ + 0,5 м, де Н₁ = 10,33 (р_р/р_а) – висота водяного стовпа в трубі, що відповідає розрідженню p_p = p_л. – р в конденсаторі й потрібна для врівноваження атмосферного тиску р_л., м; 0,5 – запас висоти для компенсації гідравлічних опорів, що виникають під час переміщення води в трубі, і на випадок коливань розрідження в конденсаторі та атмосферного тиску (і, відповідно, рівня води в трубі). З урахуванням висоти нижньої частини барометричної труби, яка заглиблена у збірник на 1,0...1,5 м під рівень води, загальна її висота при розрідженні 87...90 кПа становить не менше ніж 10,5 м.

Кількість повітря, яке відсмоктують з конденсатора за одиницю часу, визначають за емпіричною формулою, кг/с,

M_пов. = 0,0001 (0,025W + 10D)

Об'єм цього повітря, м /с, розраховують за формулою

V = 288m_пов. (273 + t_пов.) / р_пов.

де t_п. = t_в.п. + 0,1(t_в.к. – t_в.п.) + 4 – температура повітря, °С;

p_n = p – p_н1 – парціальний тиск повітря, Па;

р_н1 – парціальний тиск пари, що дорівнює тиску насичення при t_н., Па; 288 – газова стала повітря, Дж/(кг · К).

Для відсмоктування повітря звичайно застосовують водокільцеві вакуум-насоси, їхня марка відповідає об'єму відсмоктуваного повітря в кубічних метрах за хвилину. Наприклад, вакуум-насос ВВН-12 має продуктивність 12 м³ /хв.

Д/з [1] с. 144-157, [2] с. 216-223