2.3.9　冷凝器的设计

冷凝器在蒸发系统中的主要作用是将末效二次蒸汽冷凝成凝结水然后由泵排出,真空泵通过冷凝器抽真空保持系统一定的真空度。冷凝器分为两类:一类为间接式冷凝器;另一类为直接式冷凝器。间接式冷凝器分为列管式冷凝器、板式冷凝器、盘管式冷凝器、螺旋板式冷凝器。直接式冷凝器分为喷淋式冷凝器(高、低)、水力喷射式冷凝器。常见冷凝器结构如图2⁃28所示。

图2⁃28　冷凝器

(1)间接式冷凝器的设计

列管式冷凝器广泛应用于食品特别是乳品工业生产中,其最大优点是二次蒸汽与冷却水不接触,所以,也就不存在冷却水污染料液的问题。间接式冷凝器一般是二次蒸汽走壳程,冷却水走管程。它分为立式与卧式两种。

间接式冷凝器的设计分为换热面积计算及结构设计。

进入冷凝器的二次蒸汽分两部分,一部分是末效的二次蒸汽量,一部分是各效未冷凝掉的沿每效上、下不凝气管道进入冷凝器的蒸汽量,这部分蒸汽量按每效加热蒸汽量的0.2%~1%计算选取。

【例2⁃9】　一生产能力为8000kg/h用于速溶奶粉生产的四效降膜式蒸发器,其各效蒸发量分配为:1效3630kg/h;2效1552kg/h;3效1455kg/h;4效1363kg/h。进入冷凝器的末效二次蒸汽量为1144kg/h,末效二次蒸汽温度为45℃。采用间壁列管式冷凝器冷凝末效二次蒸汽,采用水环真空泵抽真空保持系统的真空度。进入冷凝器中的冷却水温度为30℃,排出温度按42℃计算。冷凝水在45℃下排出,试计算冷凝器的换热面积。

二次蒸汽的潜热为2394.13kJ/kg,末效二次蒸汽冷凝成同温度的冷凝水所放出的热量为

Q₁=1144×2394.13=2738884.72kJ/h

各效未冷凝掉的加热蒸汽量按1%选取,则

Q₂=(36.30+15.52+14.55+13.63)×2394.13=191530.40(kJ/h)

Q=Q₁+Q₂=2738884.72+191530.40=2930415.12(kJ/h)

传热温差计算:本例按单壳程双管程无相变的变温传热计算传热温差,因此按对数平均温差计算传热温差。

并流:45℃→45℃,30℃↗42℃,Δt₁=45-30=15(℃),Δt₂=45-42=3(℃)。

Δt==7.45(℃)

换热面积按下式计算:

Q=kFΔt

式中,Q=2930415.12kJ/h,则

F=2930415.12/(4187×7.45)=93.94(m2)

考虑冷凝器在应用过程中可能出现的极端情况,为安全考虑,实际换热面积按理论计算的1.25倍选取。实际换热面积为

F’=1.25×93.94=117.42(m2)

(2)直接式冷凝器的设计

直接式冷凝器也称混合式冷凝器,图2⁃29所示冷凝器是被冷凝的二次蒸汽与冷却水直接接触,把二次蒸汽冷凝成凝结水与冷却水混合一起进入到循环水池。由于这种冷凝是二次蒸汽与冷却水直接接触进行热交换,冷却效果较好,操作方便,造价低廉。过去应用也比较广泛。缺点是长时间生产二次蒸汽的凝结水会污染冷却水,冷却水一旦发生倒灌也易污染料液,另外,多孔板易堵塞。因此,这种冷凝器虽然应用效果较好,但在食品工业尤其是乳品工业生产中很少采用。

图2⁃29　喷淋式冷凝器

1-二次蒸汽进口;2-不凝性气体出口;3-进水口;4-排水口;5-人口或手孔;6-多孔淋水板

直接式冷凝器应用最为普遍的是喷淋式冷凝器,这种冷凝器分高位冷凝器(也称大气冷凝器)及低位冷凝器两种,结构基本一致,所不同的是安装高度不同,前者安装高度必须高于大气压的约束即要高于10m,才会自然排水,后者是靠泵把冷却水(含凝结水)排出(图2⁃30)。喷淋式冷凝器其设计计算如下。

图2⁃30　直接式冷凝器

① 所用冷却水量W_L　根据冷凝器入口蒸汽压力及冷却水进口温度由图2⁃31查得1m3/h冷却水冷凝的蒸汽量X(kg/h),则

W_L=W’_V/X

式中,W’_V为被冷凝的蒸汽量,kg/h。由图所得值偏低,比实际经验数据约小20%~25%,因此应取

W_L=(1.2~1.25)W’_V/X

图2⁃31　1m3/h冷却水冷凝的蒸气量与冷凝器入口蒸汽压力及冷却水温度的关系

② 冷凝器直径D　蒸汽进入冷凝器后,在冷凝器截面的气速u_V一般取15~20m/s,最大可取25m/s。

其中,W_V=W’_VV_S,V_S为蒸汽的比体积,可由相关饱和蒸汽表中查得。

③ 多孔淋水板的设计　淋水板数:冷凝器直径D<500mm时,可用4~6块;冷凝器直径D≥500mm时,可用7~9块。

淋水板的间距L,采用下疏上密的上下不等距式:当用4~6块时,L_n+1=(0.5~0.7)L_n;当用7~9块时,L_n+1=(0.6~0.7)L_n。L₀=D+(0.15~0.3)m,L_末≥0.15m。　　　

弓形淋水板的宽度:最上一块B’=(0.8~0.9)D;其他各块淋水板B=+0.05m。

淋水板堰高h:D<500mm,h=40mm;D≥500mm,h=50~70mm。

淋水孔径d:若冷却水质好或冷却水不循环使用时,d可选取4~5mm;若冷却水质差或冷却水循环使用时,d可选取6~10mm。

淋水孔冷却水流速u₀=ηφ(h为淋水板堰高),淋水孔的阻力系数η=0.95~0.98,水流收缩系数φ=0.8~0.82。单孔的淋水量为W₀=3600×0.785d2u₀,最上面一块淋水板要求100%的水量要通过淋水孔,考虑长期操作,孔易堵塞,孔数应加大10%~15%,因此淋水孔数n=(1.1~1.15)(W_L/W₀)(W_L为总淋水量)。

其他各淋水板均要求50%淋水量通过淋水孔,考虑长期操作,孔易堵塞,孔数应加大5%。因此,实际每块板的淋水孔数n=1.05[W_L/(2W₀)]。

淋水孔以正六边形或正四边形排列为宜。

④ 冷凝器各管口尺寸　蒸汽进口尺寸D₁=(0.4~0.65)D。

不凝性气体接管口径D₂:当D<500mm时,D₂=50~75mm;当D≥500mm时,D₂=75~150mm。

冷却水进口D₃:以1.5m/s左右流速决定D₃,若取流速1.5m/s,则D₃=/65(m)。

冷却水出口D₄即大气腿的管径:

此外,为检修及清理淋水板,还要在冷凝器上设置手孔。

⑤ 冷凝器的安装　冷凝器安装高度指冷凝器的出水口至水封槽面间的垂直距离(也称大气腿高度)。它取决于冷凝器在真空条件下静压水柱的高度H₁,若p为冷凝器内的真空度(MPa),则H₁=100p(m)。若大气腿内水流速度为1.5m/s时,动力损失H₂≤0.3m。安全裕量H₃=0.5m。安装高度H=H₁+H₂+H₃,冷凝器安装高度大于与大气压相当的水柱高度即能自然排水,一般为11~11.5m。

为了排除蒸汽所带的不凝性气体,在冷凝器后面安装蒸汽喷射泵,或水喷射泵或蒸汽串联的喷射泵,或机械真空泵。排水管(即大气腿)下端应插入液封槽的液面下面。若采用蒸汽喷射泵时,为了从喷射泵排出被冷凝蒸汽,需采用后冷凝器的密封槽。液封槽内液体的容量必须大于大气腿的容积,以防止停车时破坏液封。大气腿尽可能采用直管,若采用弯管时,必须避免与垂直线呈45°以上的弯管,以减少冷却水的排出阻力。蒸发器上混合冷凝器与水环真空泵合用完成冷凝及抽真空保持系统真空度的形式应用普遍。

【例2⁃10】　有一三效降膜式蒸发器采用低位混合式冷凝器冷凝末效二次蒸汽,如图2⁃30(b)所示,末效蒸发量为1210kg/h,真空度为0.09MPa,末效二次蒸汽直接进入冷凝器中被冷凝,冷却水进入温度为30℃,计算冷凝器直径、淋水板数、冷却水量、蒸汽进口尺寸。

冷凝器直径:W_V=W’_VV_S=1210×15.28=18488.8m3/h,u_V=20m/s,则

圆整为600mm。

淋水板数量:选取8块。

冷却水量:由图2⁃31查得1m3/h冷却水冷凝的蒸汽量为18.5kg/h,则

W_L=W’_V/X=1210/18.5=65.4(m3/h)

蒸汽进口尺寸:二次蒸汽进入冷凝器速度按36m/s选取,则

1210×15.28/3600=×π×36

D=0.426m

(3)饱和蒸汽的冷凝及冷却

饱和蒸汽进入间壁式冷凝器时蒸汽先在其冷凝温度下放出潜热并液化,凝液开始冷却,由于这两段中温差与传热系数不相同,所以必须分别算出各段的传热面积,将整个过程假定为冷凝和冷却两个阶段。在计算各段的平均温差时必须知道两端交界处的冷流体温度t_a。如图2⁃32所示,按逆流计算。实际上,在列管间壁式冷凝器中大多采用折流,折流多管程的某一截面的冷却水的温度分布也是不尽相同的,比较复杂。

图2⁃32　饱和蒸汽的冷凝和冷却

F₁=Q/(k₁Δt₁)

F₂=Q₁/(k₂Δt₂)

Q=Wr=Gc(t₂-t_a)

Q₁=Gc_p(T_k-T₂)=Gc(t_a-t₁)

Q/Q₁=(t₂-t_a)/(t_a-t₁)