Выпарная установка с частичным тепловым насосом. Область использования. Коэффициент инжекции.

Однокорпусные выпарные установки имеют существенный недостаток: велик удельный расход греющего пара из расчета на 1 кг вторичного пара.

Содержание лекции.

Многокорпусные выпарные установки (МВУ). Принцип действия прямоточной МВУ. Тепловые балансы МВУ. Полезная разность температур отдельных корпусов. Полная полезная разность температур установки. Располагаемая разность температур установки. Влияние числа корпусов на величину полезной разности температур. Вывод расчетного выражения для определения поверхности теплообмена одного корпуса МВУ при условии справедливости равенства .

Многокорпусные выпарные установки (МВУ). Принцип действия прямоточной МВУ. Тепловые балансы МВУ.

Принцип действия МВУ базируется на использовании вторичного пара предшествующего корпуса в качестве греющего пара в последующем. Таким образом, сокращается удельный расход первичного греющего пара, т.е. пара поступающего в первый корпус МВУ. Сокращение удельного расхода первичного греющего пара будет пропорционально числу корпусов МВУ, если предположить, что на каждый кг греющего пара в каждом корпусе МВУ приходится кг вторичного пара, т.е. , где n – число корпусов МВУ.

В самом деле, если число корпусов равно 1, а тогда (см. рис.).

Если число корпусов равно 3, а , тогда

На самом деле, с учетом термодинамики процесса и потерь тепла в окружающую среду, удельный расход первичного греющего пара всегда выше «идеализированного».

Непременным условием реализации процесса выпаривания в МВУ является постепенное понижение давления над кипящим раствором от первого корпуса к последнему ( ).

На рис. 1.2. представлена принципиальная схема прямоточной МВУ, снабженная подогревателем исходного раствора, тремя выпарными аппаратами, барометрическим конденсатором смешения и вакуумным насосом.

Исходный раствор после нагревания его в подогревателе поступает в первый корпус МВУ, где происходит концентрирование его до промежуточной концентрации. Часть вторичного пара первого корпуса служит греющим паром для второго. Другая часть вторичного пара используется в качестве экстра – пара (пара «на сторону»).

Выпаренный раствор из первого корпуса переходит во второй за счет разности давлений между первым и вторым. Здесь происходит его последующее концентрирование до второй промежуточной концентрации. Вторичный пар второго корпуса служит греющим паром для третьего.

Рис. 1.2. Принципиальная схема прямоточной МВУ: 1 – подогреватель исходного раствора; 2 – первый корпус МВУ; 3 – второй корпус; 4 – третий корпус; 5 – барометрический конденсатор; 6 – вакуумный насос.

Выпаренный раствор из второго корпуса самопроизвольно перетекает в третий (преимущество прямоточной схемы МВУ). Здесь происходит его окончательное концентрирование до финальной концентрации. Вторичный пар третьего корпуса поступает в барометрический конденсатор смешения, благодаря чему в этом корпусе создается самое низкое давление установки.

Уравнения тепловых балансов МВУ.

Для первого корпуса

.

Для второго корпуса

, .

Для третьего корпуса

.

Прочтение каждого из уравнений теплового баланса можно выполнить по аналогии с прочтением уравнения (9.1).

Полезная разность температур отдельных корпусов. Полная полезная разность температур установки. Располагаемая разность температур установки. Влияние числа корпусов на величину полезной разности температур.

Полезная разность температур первого корпуса

. (1.2)

Полезная разность температур второго корпуса

. (2.2)

Полезная разность температур третьего корпуса

. (3.2)

Полная полезная разность температур МВУ (3 корпуса)

(4.2)

Полная полезная разность температур МВУ для произвольного числа корпусов n

(5.2)

Располагаемая разность температур

, (6.2)

таким образом

. (7.2)

Сравнивая полезную разность температур для МВУ различного числа корпусов при условии, что располагаемая разность одинакова для любого МВУ, приходим к очевидному выводу: полезная разность температур МВУ с ростом числа корпусов падает за счет роста сумм температурных депрессий различного рода.

Вывод расчетного выражения для определения поверхности теплообмена одного корпуса МВУ при условии справедливости равенства .

Воспользуемся уравнением (4.2) для решения поставленной задачи на примере МВУ с тремя корпусами.

На рис. 2.2 представлена схема теплоперндачи через стенку кипятильный трубы первого корпуса. Здесь: тепловой поток через поверхность теплообмена первого корпуса; - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара первого корпуса к наружной поверхности кипятильной трубы; - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности кипятильной трубы к кипящему раствору первого корпуса; - коэффициент теплопроводности стенки кипятильной трубы; - толщина стенки кипятильной трубы; - составляющая полезной разности температур первого корпуса со стороны греющего пара; - составляющая полезной разности температур первого корпуса со стороны стенки; - составляющая полезной разности температур первого корпуса со стороны кипящего раствора.

Рис.2.2. Схема теплопередачи через стенку кипятильный трубы первого корпуса от конденсирующегося пара к кипящему раствору.

Для стадии теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке поток теплоты Q₁ выражается уравнением . где ; поэтому . Откуда (8.2)

Для стадии кондуктивного теплопереноса через стенку толщиной при коэффициенте теплопроводности тот же поток теплоты Q₁определяется выражением , откуда . (9.2)

Для стадии теплоотдачи от стенки к кипящему раствору , где ; тогда , откуда (10.2)

Складывая, левые и правые части уравнений (8.2), (9.2) и (10.2), получим выражение для полезной разности температур первого корпуса в виде

. (11.2)

По аналогии запишем выражения для определения полезной разности температур второго и третьего корпусов

. (12.2)

. (13.2)

Следовательно, полная полезная разность температур для МВУ с тремя корпусами будет равна

. (14.2)

Полезная разность температур для МВУ с любым числом корпусов, n

. (15.2)

Для удобства решения этого уравнения относительно F умножим обе части уравнения на . В результате получим

, (15.2)

где .

Полученное уравнение решается относительно F методом последовательных приближений.

Выше было показано, что с ростом числа корпусов МВУ суммарная полезная разность температур падает. При этом понижается разность температур приходящаяся на один корпус, а поверхность теплообмена возрастает. Последнее приводит к увеличению размеров и стоимости МВУ, а также затрат на ее обслуживание. Поэтому суммарный экономический эффект при росте числа корпусов становится менее ощутимым. Для обеспечения устойчивой работы МВУ принято считать, что минимальная разность температур в одном корпусе должна составлять 10⁰С. По этой причине число корпусов МВУ составляем преимущественно 2 – 4, реже 5 – 6.

Примечание.

По условиям теплопередачи более выгодны МВУ с противоточным движением раствора и паров. Однако, существенным недостатком такой схемы является необходимость принудительного перемещения раствора из корпуса в корпус в сторону нарастающего давления, что требует применения насосов, работающих в жестких условиях. По этой причине в подавляющем большинстве случаев применяется прямоточная схема МВУ, рассмотренная выше.

Выпарная установка с частичным тепловым насосом. Область использования. Коэффициент инжекции.

Схема выпарной установки с частичным тепловым насосом показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема выпарной установки с частичным тепловым насосом: 1 – выпарной аппарат; 2 – инжектор.

В установке с частичным тепловым насосом вторичный пар сжимается с помощью первичного греющего пара высокого давления в инжекторе. При этом может быть использована только часть вторичного пара , отсюда название установки.

Инжектор представляет собой устройство, состоящее из: сопла, камеры смешения, конфузора, диффузора. Пар высокого давления с высокой скоростью через сопло попадает в камеру смешения, где захватывает часть вторичного пара. Смесь первичного греющего пара со вторичным направляется на участок «конфузор – диффузор», где в конечном итоге происходит преобразование кинетической энергии потока в его потенциальную энергию давления. Основной характеристикой инжектора является коэффициент инжекции , представляющий собою отношение между увлеченной частью потока вторичного пара и потоком первичного греющего пара

. (4.3)

Потребный расход греющего пара определяется формулой, ранее записанной для установки с полным тепловым насосом.

Составляя уравнение материального баланса для инжектора, получим

, (5.3)

откуда потребный расход первичного (ижектирующего) греющего пара будет равен

. (6.3)

Коэффициент инжекции рассчитывается по определенной методике и колеблется в пределах от 0,5 до 1.

Использование такой установки экономически целесообразно при условии, если температурная депрессия кипящего раствора невелика и, следовательно, невелика степень сжатия вторичного пара в инжекторе (