Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 167
Скачиваний: 1
2. ОДНОКОРПУСНАЯ ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА
а) Схема установки
Однокорпусная выпарная установка применяется для выпа ривания относительно небольшого количества воды, когда эконо мия тепла не имеет большого значения.
Схема непрерывно действующей однокорпусной выпарной ус тановки, работающей под вакуумом, представлена на рис. 79.
Рис. 79. Схема однокорпусной выпарной уста новки.
Исходный раствор из сборника 1 подается насосом 2 в подогре ватель 3, где он нагревается до кипения, отсюда раствор направ ляется в выпарной аппарат 4 для выпаривания.
Греющий пар, необходимый для проведения процесса, пода ется в межтрубные пространства подогревателя и выпарного аппарата. Образующийся в аппарате вторичный пар вместе с воздухом и газами направляется через каплеуловитель 5 в баро метрический конденсатор 6; здесь пар конденсируется при сме шении с водой, а воздух и газы из верхней части конденсатора через ловушку 7 откачиваются вакуум-насосом. Конденсат вме сте с водой в виде так называемой барометрической воды отво дится из корпуса 6 самотеком через барометрическую трубу 8 и барометрический ящик 9. Сгущенный до нужной концентрации раствор откачивается насосом 10 в сборник готового продукта.
148
t
Применительно к выпариванию под давлением рассмотрен ная схема может быть упрощена — из нее исключают насос 10 и вместо барометрического конденсатора, устанавливают поверх ностный.
При расчете выпарного аппарата определяют:
количество выпаренной воды при заданной начальной и ко нечной концентрации раствора;
расход греющего пара; поверхность нагрева выпарного аппарата. „
б) Материальный и тепловой балансы однокорпусной выпарной установки непрерывного действия
Количество выпаренной воды и конечную концентрацию вы париваемого раствора определяют из материального баланса, согласно которому количество сухих веществ в растворе до и после выпаривания остается постоянным.
Уравнение материального баланса можно записать в таком виде:
Вн |
Вк |
(184) |
G— = |
(G—W) — , |
|
100 |
' 100 |
*2. |
откуда количество выпаренной воды W (в кг/с)
Г = G 1 — Вн , |
(185) |
Вк |
|
где G — количество раствора, поступившего на выпари
Ян — начальная |
вание, кг/с; |
% масс.; |
концентрация раствора, |
||
Вк — конечная |
концентрация раствора, % масс.; ’ |
|
W — количество выпаренной воды, кг/с. |
’ |
|
Рис. 80. К тепло вому балансу од-
нокорпуснои выпарки.
При заданном количестве выпариваемой воды конечная кон центрация раствора Вк (в % масс.) из уравнения (184)
Вк = |
GBH |
(186) |
|
G — W |
|||
|
|
Расход греющего пара на выпаривание определяют из сле дующего теплового баланса (рис. 80).
Приход тепла (в Дж):
сраствором Qi==G C\t\
сгреющим паром Q2 — D ix
Расход тепла (в Д ж ):
с упаренным раствором <3з=
= G с212— W св t2= (G с2— W cB)t2
с вторичным паром Q4=U7 i2 с конденсатом Q5 = D ск tK потери в окружающую среду Qn
149
Тепловой баланс запишется в таком виде
Qi + Q2 = Q3 + Q4 + Qs + Qn <
или
Gcj_ h + D i i = ( G c 2 — I F c B) 12 + W i 2 - f D c K + Q n •
Отсюда расход греющего пара D (в кг) на выпаривание ра створа
G f c o U — С1Т1) , W (i2— св L). , |
|
Qn |
f |
(187) |
|||
------L_LL_j-----v_2------+ |
|
|
|||||
l"l CK t K |
l j — |
CK |
t'l |
cK t K |
|
|
|
где С1 и C2— теплоемкость |
раствора |
до |
и после |
выпаривания, Дж/(кг-К); |
|||
Н и h — температура раствора до и после выпаривания, |
°С; |
||||||
ii и t2— энтальпия греющего и вторичного пара, |
Дж/кг; |
|
|
||||
ск и св— теплоемкость |
конденсата и воды, Дж/(кг-К); |
|
|
||||
tK— температура |
конденсата, °С. |
|
|
|
|
||
Из формулы (187) видно, что общий расход пара на выпари вание раствора складывается из трех слагаемых: первое — рас ход парана нагревание раствора до точки кипения; второе—рас ход пара на испарение определенного количества воды; третьерасход пара на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.
Первое слагаемое в уравнении (187) может быть отрицатель ным (когда поступающий на выпаривание раствор перегрет по отношению к давлению в аппарате), равным нулю (когда раст вор подогрет до температуры кипения в аппарате) и положи тельным (когда температура поступающего в аппарат раствора ниже температуры кипения).
Приняв, что при поступлении на выпаривание исходный ра створ имеет температуру, равную температуре кипения, и что не
имеют места тепловые потери, |
теоретический расход пара D |
(в кг) на однокорпусную выпарную установку |
|
__ Ц 7 (**2 |
---- СВ ^ 2 ) |
н |
ск |
Отсюда удельный расход пара, отнесенный к 1 кг выпаренной воды, d (в кг/кг)
^ _ D |
^2— гп 12 |
W |
( 188) |
t'i — ск (к ’ |
На практике считают, что на образование 1 кг вторичного пара в однокорпусной выпарке расходуется 1,1—1,2 кг греющего пара.
Поверхность нагрева F выпарного аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи (121)
Q — kF At.
Тепловая нагрузка выпарного аппарата
Q — D (ij — ск tK) = Dr.
Тогда
kFAt = Dr.
150
Отсюда необходимая теоретическая |
поверхность |
нагрева |
||||
F (в м2) выпарного аппарата |
|
|
|
|
|
|
F |
— |
|
|
|
|
(189) |
|
|
|
|
|
||
где D — расход греющего пара на выпаривание, кг/с; |
числовое значение г на |
|||||
г — удельная теплота парообразования, |
Дж/кг; |
|||||
ходят по таблицам водяного пара в зависимости от давления в па |
||||||
ровом пространстве аппарата; |
от |
пара |
к |
кипящему |
раствору, |
|
k— коэффициент теплопередачи |
т |
|||||
|
’ |
|
|
|
|
|
Вт/(м2-К);
Ы— полезная разность температур.
При определении величины действительной поверхности нагрева выпарного аппарата в формулу (189) подставляют рас ход пара, рассчитанный по уравнению (187).
в) Выпарные установки с тепловым насосом
При проектировании и эксплуатации одно- и многокорпусных выпарных установок стремятся к наиболее полному использова нию внутри самих установок тепла образующегося вторичного пара. В связи с этим значительный интерес представляют выпар-
Рис. 81. Выпарная установка с тепловым насосом:
а — схема установки, б — схема пароструйного инжектора.
ные установки с тепловыми насосами, в качестве которых приме няют пароструйные инжекторы (термокомпрессоры).
Пароструйными инжекторами снабжены однокорпусные ус тановки, применяемые в молочной и консервной промышленно сти и первые корпуса многокорпусных выпарных установок в са харной промышленности (рис. 81,а).
В инжекторе при помощи рабочего (острого) пара высокого давления (600—1500 кПа) повышают до параметров греющего пара давление, температуру и энтальпию вторичного пара, ухо дящего из I корпуса, после чего полученный пар используют для обогрева того же I корпуса; это позволяет сэкономить до 50% греющего пара.
Принципиальная схема пароструйного инжектора показана на рис. 81,6. Он состоит из трех основных частей: камеры вса
151
сывания 1, сопла 2 и диффузора 3. Проходя сопло, рабочий пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает до 1000 м/с и выше. Выходя из сопла с такой большой скоростью, рабочий пар пролетает через камеру всасывания в диффузор, увлекая за собой вторичный пар и смешиваясь с ним. В диффу зоре скорость пара уменьшается, а давление по длине его возра стает, т. е. пароструйный инжектор работает по принципу пре образования потенциальной энергии в кинетическую в сопле и, наоборот, кинетической в потенциальную — в диффузоре.
3. МНОГОКОРПУСНЫЕ ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ
а) Схемы установок и их характеристика
Многокорпусная выпарная установка состоит из нескольких однокорпусных выпарных аппаратов, соединенных последова тельно как по упариваемому продукту, так и по греющему пару. В ней первый корпус обогревается паром, поступающим из тур бины или парового котла, а для обогрева каждого последующего корпуса используется вторичный пар предыдущего корпуса. При этом теплообмен в каждом корпусе обеспечивается за счет раз ности между температурами греющего пара и кипящего продук та;-эта разность температур создается .благодаря снижению дав ления в каждом последующем корпусе по сравнению с предыду щим, что также способствует самотечному переходу упариваемо го продукта из одного корпуса в другой.
При переходе жидкости из предыдущего корпуса в последу ющий, т. е. в пространство с меньшим давлением и более низкой температурой, она, имея более высокую температуру, оказывает ся перегретой и из нее в результате самоиспарения удаляется в виде пара некоторое количество воды. Таким образом, процесс самоиспарения уменьшает расход пара на выпаривание.
Если вторичный пар, уходящий из последнего корпуса, имеет низкую температуру, и для обогрева других теплообменных уст ройств непригоден, его направляют в барометрический конден сатор; здесь в результате конденсации за счет непосредственного контакта холодной воды с паром образуется вакуум, который обеспечивает необходимый режим работы корпуса. В многокор пусной установке, в которой головные корпуса работают под давлением, а хвостовой под разрежением, благодаря многократ ному использованию тепла значительно снижается удельный расход греющего пара. Это видно из приведенных ниже удель ных расходов пара (d, кг пара на 1 кг выпаренной воды) для различных выпарных установок: однокорпусной—1,1, двухкор пусной—0,57, трехкорпусной—0,4, четырехкорпусной—0,3, пяти корпусной—0,27.
Эти цифры показывают, что при переходе от однокорпусной выпарной установки к двухкорпусной экономия пара составляет