2.3.9　冷凝器的設計

冷凝器在蒸發系統中的主要作用是將末效二次蒸汽冷凝成凝結水然后由泵排出,真空泵通過冷凝器抽真空保持系統一定的真空度。冷凝器分為兩類:一類為間接式冷凝器;另一類為直接式冷凝器。間接式冷凝器分為列管式冷凝器、板式冷凝器、盤管式冷凝器、螺旋板式冷凝器。直接式冷凝器分為噴淋式冷凝器(高、低)、水力噴射式冷凝器。常見冷凝器結構如圖2?28所示。

圖2?28　冷凝器

(1)間接式冷凝器的設計

列管式冷凝器廣泛應用于食品特別是乳品工業生產中,其最大優點是二次蒸汽與冷卻水不接觸,所以,也就不存在冷卻水污染料液的問題。間接式冷凝器一般是二次蒸汽走殼程,冷卻水走管程。它分為立式與臥式兩種。

間接式冷凝器的設計分為換熱面積計算及結構設計。

進入冷凝器的二次蒸汽分兩部分,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、下不凝氣管道進入冷凝器的蒸汽量,這部分蒸汽量按每效加熱蒸汽量的0.2%~1%計算選取。

【例2?9】　一生產能力為8000kg/h用于速溶奶粉生產的四效降膜式蒸發器,其各效蒸發量分配為:1效3630kg/h;2效1552kg/h;3效1455kg/h;4效1363kg/h。進入冷凝器的末效二次蒸汽量為1144kg/h,末效二次蒸汽溫度為45℃。采用間壁列管式冷凝器冷凝末效二次蒸汽,采用水環真空泵抽真空保持系統的真空度。進入冷凝器中的冷卻水溫度為30℃,排出溫度按42℃計算。冷凝水在45℃下排出,試計算冷凝器的換熱面積。

二次蒸汽的潛熱為2394.13kJ/kg,末效二次蒸汽冷凝成同溫度的冷凝水所放出的熱量為

Q₁=1144×2394.13=2738884.72kJ/h

各效未冷凝掉的加熱蒸汽量按1%選取,則

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)

傳熱溫差計算:本例按單殼程雙管程無相變的變溫傳熱計算傳熱溫差,因此按對數平均溫差計算傳熱溫差。

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

Δt==7.45(℃)

換熱面積按下式計算:

Q=kFΔt

式中,Q=2930415.12kJ/h,則

F=2930415.12/(4187×7.45)=93.94(m2)

考慮冷凝器在應用過程中可能出現的極端情況,為安全考慮,實際換熱面積按理論計算的1.25倍選取。實際換熱面積為

F’=1.25×93.94=117.42(m2)

(2)直接式冷凝器的設計

直接式冷凝器也稱混合式冷凝器,圖2?29所示冷凝器是被冷凝的二次蒸汽與冷卻水直接接觸,把二次蒸汽冷凝成凝結水與冷卻水混合一起進入到循環水池。由于這種冷凝是二次蒸汽與冷卻水直接接觸進行熱交換,冷卻效果較好,操作方便,造價低廉。過去應用也比較廣泛。缺點是長時間生產二次蒸汽的凝結水會污染冷卻水,冷卻水一旦發生倒灌也易污染料液,另外,多孔板易堵塞。因此,這種冷凝器雖然應用效果較好,但在食品工業尤其是乳品工業生產中很少采用。

圖2?29　噴淋式冷凝器

1-二次蒸汽進口;2-不凝性氣體出口;3-進水口;4-排水口;5-人口或手孔;6-多孔淋水板

直接式冷凝器應用最為普遍的是噴淋式冷凝器,這種冷凝器分高位冷凝器(也稱大氣冷凝器)及低位冷凝器兩種,結構基本一致,所不同的是安裝高度不同,前者安裝高度必須高于大氣壓的約束即要高于10m,才會自然排水,后者是靠泵把冷卻水(含凝結水)排出(圖2?30)。噴淋式冷凝器其設計計算如下。

圖2?30　直接式冷凝器

① 所用冷卻水量W_L　根據冷凝器入口蒸汽壓力及冷卻水進口溫度由圖2?31查得1m3/h冷卻水冷凝的蒸汽量X(kg/h),則

W_L=W’_V/X

式中,W’_V為被冷凝的蒸汽量,kg/h。由圖所得值偏低,比實際經驗數據約小20%~25%,因此應取

W_L=(1.2~1.25)W’_V/X

圖2?31　1m3/h冷卻水冷凝的蒸氣量與冷凝器入口蒸汽壓力及冷卻水溫度的關系

② 冷凝器直徑D　蒸汽進入冷凝器后,在冷凝器截面的氣速u_V一般取15~20m/s,最大可取25m/s。

其中,W_V=W’_VV_S,V_S為蒸汽的比體積,可由相關飽和蒸汽表中查得。

③ 多孔淋水板的設計　淋水板數:冷凝器直徑D<500mm時,可用4~6塊;冷凝器直徑D≥500mm時,可用7~9塊。

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

弓形淋水板的寬度:最上一塊B’=(0.8~0.9)D;其他各塊淋水板B=+0.05m。

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

淋水孔徑d:若冷卻水質好或冷卻水不循環使用時,d可選取4~5mm;若冷卻水質差或冷卻水循環使用時,d可選取6~10mm。

淋水孔冷卻水流速u₀=ηφ(h為淋水板堰高),淋水孔的阻力系數η=0.95~0.98,水流收縮系數φ=0.8~0.82。單孔的淋水量為W₀=3600×0.785d2u₀,最上面一塊淋水板要求100%的水量要通過淋水孔,考慮長期操作,孔易堵塞,孔數應加大10%~15%,因此淋水孔數n=(1.1~1.15)(W_L/W₀)(W_L為總淋水量)。

其他各淋水板均要求50%淋水量通過淋水孔,考慮長期操作,孔易堵塞,孔數應加大5%。因此,實際每塊板的淋水孔數n=1.05[W_L/(2W₀)]。

淋水孔以正六邊形或正四邊形排列為宜。

④ 冷凝器各管口尺寸　蒸汽進口尺寸D₁=(0.4~0.65)D。

不凝性氣體接管口徑D₂:當D<500mm時,D₂=50~75mm;當D≥500mm時,D₂=75~150mm。

冷卻水進口D₃:以1.5m/s左右流速決定D₃,若取流速1.5m/s,則D₃=/65(m)。

冷卻水出口D₄即大氣腿的管徑:

此外,為檢修及清理淋水板,還要在冷凝器上設置手孔。

⑤ 冷凝器的安裝　冷凝器安裝高度指冷凝器的出水口至水封槽面間的垂直距離(也稱大氣腿高度)。它取決于冷凝器在真空條件下靜壓水柱的高度H₁,若p為冷凝器內的真空度(MPa),則H₁=100p(m)。若大氣腿內水流速度為1.5m/s時,動力損失H₂≤0.3m。安全裕量H₃=0.5m。安裝高度H=H₁+H₂+H₃,冷凝器安裝高度大于與大氣壓相當的水柱高度即能自然排水,一般為11~11.5m。

為了排除蒸汽所帶的不凝性氣體,在冷凝器后面安裝蒸汽噴射泵,或水噴射泵或蒸汽串聯的噴射泵,或機械真空泵。排水管(即大氣腿)下端應插入液封槽的液面下面。若采用蒸汽噴射泵時,為了從噴射泵排出被冷凝蒸汽,需采用后冷凝器的密封槽。液封槽內液體的容量必須大于大氣腿的容積,以防止停車時破壞液封。大氣腿盡可能采用直管,若采用彎管時,必須避免與垂直線呈45°以上的彎管,以減少冷卻水的排出阻力。蒸發器上混合冷凝器與水環真空泵合用完成冷凝及抽真空保持系統真空度的形式應用普遍。

【例2?10】　有一三效降膜式蒸發器采用低位混合式冷凝器冷凝末效二次蒸汽,如圖2?30(b)所示,末效蒸發量為1210kg/h,真空度為0.09MPa,末效二次蒸汽直接進入冷凝器中被冷凝,冷卻水進入溫度為30℃,計算冷凝器直徑、淋水板數、冷卻水量、蒸汽進口尺寸。

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

圓整為600mm。

淋水板數量:選取8塊。

冷卻水量:由圖2?31查得1m3/h冷卻水冷凝的蒸汽量為18.5kg/h,則

W_L=W’_V/X=1210/18.5=65.4(m3/h)

蒸汽進口尺寸:二次蒸汽進入冷凝器速度按36m/s選取,則

1210×15.28/3600=×π×36

D=0.426m

(3)飽和蒸汽的冷凝及冷卻

飽和蒸汽進入間壁式冷凝器時蒸汽先在其冷凝溫度下放出潛熱并液化,凝液開始冷卻,由于這兩段中溫差與傳熱系數不相同,所以必須分別算出各段的傳熱面積,將整個過程假定為冷凝和冷卻兩個階段。在計算各段的平均溫差時必須知道兩端交界處的冷流體溫度t_a。如圖2?32所示,按逆流計算。實際上,在列管間壁式冷凝器中大多采用折流,折流多管程的某一截面的冷卻水的溫度分布也是不盡相同的,比較復雜。

圖2?32　飽和蒸汽的冷凝和冷卻

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)