2.3.10　真空泵的計算及選型

真空泵在蒸發器中的作用是從冷凝器中抽出不凝性氣體維持系統的真空度,使蒸發器在真空減壓狀態下工作,有利于提高食品質量。目前應用最普遍的是水環式真空泵。

蒸發器多采用間接式(或混合式)冷凝器與水環真空泵并用,將二次蒸汽冷凝成凝結水同時抽除不凝性氣體,保持蒸發系統的真空度。在蒸發器中用真空泵使系統成為負壓,真空泵的吸氣量是依據經驗數值來確定的,真空泵吸氣量(kg/h)為

G=G₁+G₂+G₃+G₄

(1)G₁值的確定

G₁是真空系統滲漏的空氣量,可根據真空系統中設備和管道的容積V₁按圖2?33查出空氣最大滲漏量G_a,取G₁=2G_a。

圖2?33　系統容積與空氣最大滲漏量

(2)G₂值的確定

G₂是蒸發過程中料液釋放的不凝性氣體量,一般很小,可以忽略,即G₂=0。

(3)G₃值的確定

G₃是直接式冷凝器冷卻水釋放溶解空氣量,如圖2?34所示。

G₃=G_b

式中　G_b——真空系統抽出的不凝氣體量,kg/m3,G_b=V_a+V_b+V_c;

γ_t——溫度t下飽和蒸汽的密度,kg/m3;

γ₀——0℃、絕對壓力0.1MPa不凝氣體的密度,kg/m3;

h——真空泵吸入口的真空度,Pa;

p_t——溫度t下的飽和蒸汽絕對壓力,Pa;

t——真空泵吸入口的氣體溫度,℃,t=t_w+5℃;

t_w——冷卻水進口溫度,℃。

如果蒸汽冷凝采用的是間接式表面冷凝器時,G₃=0。水中溶解的空氣量在標準大氣壓下隨水溫升高而減小,不同溫度下水中放出的空氣量可由圖2?34查得。

圖2?34　不同溫度下水中放出的空氣量

(4)G₄值的確定

G₄是未冷凝的蒸汽量,取決于冷凝效果,冷凝效果差這部分氣體所占比例就大,正常情況下,采用經驗值,G₄=(0.2%~1%)G_p(G_p為每小時進入冷凝器的蒸汽量)。

真空泵吸氣為混合氣體(由溶劑蒸汽和不凝性氣體組成),在標準狀況下,密度按下式計算:

ρ=p₀M/(8.315T)

式中　ρ——在標準狀況下混合氣體密度,kg/m3;

p₀——在標準狀況下的大氣壓,kPa;

M——摩爾質量,kg/mol;

T——熱力學溫度,K。

摩爾質量M按摩爾質量分數計算,即

Y₁=G₄/18　Y₂=G₁/28.95

M=18Y₁/(Y₁+Y₂)+28.95Y₂/(Y₁+Y₂)

真空泵吸氣量應換算成真空泵吸入狀態的體積,其體積按下式計算:

V=(G/ρ)[(273+t)p₀/(273p)]

式中　V——真空泵每小時吸氣量,m3/h;

p——真空泵吸入壓力,MPa;

t——真空泵吸入狀態溫度(取冷凝狀態溫度),℃。

【例2?11】　近年來,在蒸發器系統中普遍采用水環真空泵抽真空維持蒸發系統的真空度,保持料液在低沸點蒸發。在實際應用中,一些蒸發器真空泵選用得不盡合理,要么偏大,要么偏小:偏大不夠經濟,浪費能源;偏小則蒸發系統真空度低,影響蒸發器的蒸發量。因此,真空泵選擇得是否合理關系到蒸發系統真空度的高低,即蒸發效果,也關系到是否節約能源。僅以RNJM03?3600型三效降膜式蒸發器在奶粉生產中的應用為例(圖2?35),對真空泵的吸氣量進行計算并選擇真空泵。

圖2?35　RNJM03?3600型三效降膜式蒸發器

1-保持管;2-殺菌器;3-一效蒸發器;4-熱泵;5-分離器;6-二效蒸發器;7-三效蒸發器;8-預熱器;9-冷凝器;10-平衡缸;11-物料泵;12-真空泵

(1)主要技術參數

物料介質:牛奶　　　　　　　冷卻水進入溫度:20℃

生產能力:3600kg/h　　　　　冷卻水排出溫度:38℃

進料質量分數:11.5%　　　　冷卻水耗量:31t/h

出料質量分數:45%　　　　　裝機容量:35.5kW

冷凝器換熱面積:38.99m2　　各效熱量及蒸發量分配見表2?7(不計管道溫度損失)

表2?7　各效熱量及蒸發量分配

(2)真空泵吸氣量的理論計算過程

本例V₁=13.872m3,末效分離器絕對壓力為0.009771MPa,查圖2?33得G_a=4kg/h,則G₁=2G_a=2×4=8(kg/h);G₂=0本例采用的是列管間壁式冷凝器,故G₃=0;本例進入冷凝器蒸汽量為565.26kg/h,則G₄=(0.2%~1%)G_p=1%×565.26=5.65(kg/h)。則真空泵的吸氣量為G=G₁+G₂+G₃+G₄=8+0+0+5.65=13.65(kg/h)。

摩爾質量M按摩爾質量分數計算,即Y₁=5.65/18=0.3139,Y₂=8/28.95=0.2763,則M₁=18×(0.3139/0.5902)=9.573(kg/mol),M₂=28.95×(0.2763/0.5902)=13.553(kg/mol),M=M₁+M₂=9.573+13.553=23.126(kg/mol),故ρ=p₀M/(8.315T)=101.3×23.126/(8.315×273)=1.032(kg/m3),則V=(G/ρ)[(273+t)p₀/(273p)]=(13.65/1.032)×[(273+45)×0.1013/(273×0.009771)]=159.73(m3/h)。

選擇真空泵時,實際吸氣量應大于上述計算值,一般按1.25~1.5倍計算值選取比較合適。本例按1.5倍計算值選取。因此,真空泵實際吸氣量為V’=1.5V=1.5×159.73=239.59(m3/h)。可依據此計算值查相關產品樣本選擇真空泵實際型號。

真空泵吸氣量及型號的確定直接關系到蒸發器工作運行狀態。真空泵選擇過小就會導致蒸發器蒸發溫度升高,嚴重時還會影響蒸發量;選擇過大則不節能。因此,要選擇出合適的真空泵必須根據蒸發器的大小及相關參數進行上述理論計算,根據計算出真空泵實際的理論吸氣量選擇真空泵,這樣才會使蒸發器蒸發系統處于穩定的工作運行狀態。才不會出現由于真空泵選擇不合適而給蒸發器帶來諸如蒸發參數不正?；虿还澞艿炔涣夹ЧＵ婵毡霉ぷ魉玫乃疁夭坏眠^高,否則會影響真空泵的吸氣量,應采用自來水單獨供水。