Процеси і апарати харчових виробництв Електронний підручник
Головна Теоретичні відомості Лабораторні та практичні роботи Тести Додатки Список використаних джерел	5.4 Конденсація
	1. Загальна характеристика процесу конденсації. Методи конденсації. 2. Поверхневі конденсатори, їх види та будова, принцип дії. Тепловий баланс поверхневих конденсаторів. 3. Конденсатори змішування, їх види, будова та принцип дії. Складання теплового балансу для конденсаторів змішування. 1. Загальна характеристика процесу конденсації. Методи конденсації Конденсацією називають процес переходу пари або стиснутого до критичного стану газу в рідкий стан. Скраплення пари досягається охолоджуванням її, а газу - стискуванням з подальшим охолоджуванням. Рис. 1. Конденсація Процес конденсації широко застосовується в харчових виробництвах для різноманітних цілей: створення розрідження у випарних, фільтраційних, сушильних та інших вакуумних установках; використання теплоти конденсації для нагрівання в теплообмінниках з паровим обігріванням; розподіл багатокомпонентних систем з різними температурами скраплення; скраплення пари спирту, вуглекислого газу (для одержання рідкої вуглекислоти), аміаку і фреонів у холодильних установках і т. д. Рис. 2. Пароутворення і конденсація Апарати, в яких відбувається конденсація, називають конденсаторами. Конденсатори бувають двох типів: поверхневі, в яких пара (або газ), що конденсується, та охолоджуючий агент розділені поверхнею теплопередачі, і змішування, в яких конденсація пари відбувається під час безпосереднього зіткнення з охолоджувальним теплоносієм. Звичайно охолоджувальним агентом є холодна вода, рідше -повітря та інші холодоносії. 2. Поверхневі конденсатори, їх види та будова, принцип дії. Тепловий баланс поверхневих конденсаторів. Поверхневі конденсатори застосовують у тих випадках, коли необхідно отримати конденсат у чистому вигляді або сконденсувати пару цінного продукту, наприклад, етилового спирту, винної пари та ін. Як поверхневі конденсатори широко застосовують теплообмінники кожухотрубні, "труба в трубі", змійовикові та зрошувальні. Розглянемо загальний випадок конденсації перегрітої водяної пари. Охолоджуючим агентом є вода. Конденсація здійснюється у вертикальному кожухотрубному протитечійному конденсаторі. Графік зміни температур водяної пари, що конденсується, і охолоджуючої води в процесі конденсації показано на рис.3. З урахуванням особливостей процесів, які протікають у конденсаторі, робочу поверхню його по висоті умовно розділяють на три зони: І - зона охолоджування перегрітої пари від температури tn до , температури насичення tн, II - зона конденсації пари, в якій процес протікає при tн ^= const, III - зона охолоджування отриманого в другій зоні конденсату від Ін до заданої кінцевої температури t. У працюючому конденсаторі таких чітких меж між зонами немає. При виконанні теплових розрахунків для кожної зони складається тепловий баланс і визначається необхідна поверхня теплообміну. Рис.3. Графік зміни температур Оскільки процеси в цих умовно позначених зонах за фізичною суттю різні, то площу поверхні теплообміну Fi розраховують стосовно до теплового навантаження Qi, коефіцієнта теплопередачі k і середньої різниці температур ∆tсрі для кожної зони: Fi = Qi / ki ∆tсрі Тоді загальна площа поверхні теплообміну конденсатора F, м^2, дорівнюватиме сумі F1 + F2 + F3 Позначивши витрати охолоджувальної води W, кг/с, її початкову і кінцеву температури відповідно tв.п. та tв.к., °С, запишемо рівняння теплового балансу в конденсаторі Q = x (Q1 + Q2 + Q3) = W cв (tв.к. – tв.п.) де св -- питома теплоємність води, Дж/(кг-К); х — коефіцієнт, що враховує теплові втрати від стінок конденсатора в навколишнє середовище (х = 0,95. ..0,97), Щоб розрахувати W, ∆tcp, ki, Fi складають теплові баланси для кожної зони: Q1 = xDcп.п (tп.п – tн) = Wcи (tв.к – tв1) Q2 = xDr = W cв (t в1 – tв2) Q3 = xDcк (tн - tк ) = Wcв ( tв.2 - tв.п. ) де сп.п., ск — питомі теплоємності перегрітої пари і конденсату відповідно, Дж/(кг-К); r - теплота конденсації насиченої пари, Дж/кг; tв.1, tв2 — проміжні температури на межі зон, °С. З урахуванням рівнянь, рівняння теплового балансу в конденсаторі матиме вигляд Q = xD (I – cк tк ) = Wcв ( tв.к. – tв.п.) де і = сп.п. (tп.п.- tп) + r + cкtн - ентальпія перегрітої пари, Дж/кг. Звідси витрата охолоджувальної води, кг/с, W = Якщо охолоджувальна вода з конденсатора буде виходити з якнайвищою температурою, то витрати її знизяться. Отриману при цьому гарячу воду можна використати на технічні потреби. Потрібні для розрахунку Fі проміжні температури охолоджувальної води tв1 i tВ2 визначають t В1 = tв.к. - tВ2 = tв.п. + Визначивши ці величини, можна знайти для кожної зони ∆tс.р.і, Кі і Fі і загальну площу поверхні конденсатора F. У разі конденсації пари без помітного охолодження конденсату конденсатор розраховують тільки стосовно II зони. Якщо поверхневі конденсатори використовують для створення розрідження у вакуумних установках, то температура охолоджувальної води має бути нижчою від кінцевої температури конденсату не менше ніж на 5°С. Ступінь розрідження, яке створюється внаслідок зменшення об'єму пари під час її конденсації, залежить від початкової температури охолоджувальної води та її питомої витрати m = W / D, що може досягати 100...110 кг води на 1 кг пари. Чим більша різниця між температурою конденсації пари і кінцевою температурою утвореного конденсату, тим більшим буде розрідження в конденсаторі. Кількість повітря і газів, що не конденсуються і відсмоктуються з конденсатора, залежить від їхнього вмісту в парі та від щільності з'єднань. Вибираючи вакуум-насос, вважають, що при конденсації 1 кг пари в апарат орієнтовно потрапляє 0,008 м^3 повітря. Рис.4. Схема поверхневого конденсатора У поверхневих конденсаторах, в яких охолоджувальним середовищем є повітря (рис.5.), пару через патрубок 6 подають у труби 5, зовнішня поверхня яких виконана ребристою, для збільшення поверхні теплообміну з боку повітря. Рис.5. Схема повітряного поверхневого конденсатора Розподіл пари по трубах і відведення конденсату через патрубок З здійснюється за допомогою колекторів 7, розміщених з обох боків апарата. Гази, що не конденсуються, відводяться через патрубок 4. Повітря подають у міжтрубний простір вентилятором 8, що розміщується в патрубку 1. Щоб збільшити коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні труб, повітря після вентилятора зволожують, подаючи через форсунки 2 воду. Процес конденсації може застосовуватись для отримання із парової суміші фракцій конденсату з різним складом і тоді його називають фракційною конденсацією. Рис.6. Поверхневі конденсатори 3. Конденсатори змішування, їх види, будова та принцип дії. Складання теплового балансу для конденсаторів змішування. Застосування і класифікація конденсаторів змішування Конденсатори змішування застосовуються для конденсації пари рідини, не розчинної у воді, або пари, що є невикористовуваним відходом того чи іншого процесу. Ефективність роботи конденсаторів змішування залежить від величини поверхні контакту охолоджуючої води і пари, тому для її збільшення охолоджуючу воду подають у конденсатор за допомогою різноманітних розбризкувальних приладів. Залежно від способу виведення з апарата води і газів розрізняють конденсатори змішування мокрі і сухі (рис.7.). Конструкційні особливості мокрих і сухих конденсаторів змішування У конденсатор змішування разом з парою і водою, а також через нещільності апарата потрапляє повітря, що знижує ефективність теплообміну. Тому воно безперервно відсмоктується з конденсатора насосом. Рис. 7. Конденсатори змішування У мокрих конденсаторах суміш води й конденсату, а також повітря та інші гази, які не конденсуються, відводяться разом мокроповітряним насосом. У сухих конденсаторах суміш води і конденсату відводиться знизу (як правило - самопливом), а повітря та гази відсмоктуються вакуум-насосом з верхньої частини конденсатора. Для відводу суміші води і конденсату застосовують барометричну трубу. Крім того, залежно від напрямку руху пари і води конденсатори змішування бувають прямоточні і протитечійні. На рис1.а,б представлені мокрі прямоточні та протитечійні конденсатори змішування. На рисунку 1,в зображено сухий протитечійний барометричний конденсатор. Пара на конденсацію надходить до конденсатора через штуцер 1 у нижній частині апарата. У конденсаторі розміщено ряд перфорованих сегментних полиць 2. Охолоджувальна вода подається на верхню полицю, після цього перетікає з полиці на полицю у вигляді тонких струмків через отвори та борти. Утворений конденсат разом з водою виводиться через патрубок у нижній частині апарата, для відводу суміші служить барометрична труба 5. Повітря відводиться через патрубок 3 у верхній частині апарата і, минаючи бризкоуловлювач 4, висушеним вилучається з системи за допомогою вакуум-насосу. Рис.8. Барометричний конденсатор Рис.9. Ротаційний конденсатор Змішування змішування Контрольні запитання 1. Який процес називають конденсацією? 2. Які знаєте методи конденсації? 3. Для чого використовують поверхневі конденсатори? 4. Для чого використовують змішувальні конденсатори? 5. Від чого залежить ефективність роботи конденсаторів змішування ? 6. У чому полягає механізм створення розрідження у вакуумних установках із застосуванням процесу конденсації ? 7. Яке призначення барометричної труби ? 8. З якою метою використовують двоступінчастий барометричний конденсатор ? 9. Сформулюйте рівняння теплового балансу конденсатора. 10. Як визначаються витрати охолоджувальної води на повну конденсацію пари ? 11. Як визначається абсолютний тиск у конденсаторі ? 12. Як визначається кінцева температура барометричної води ? 13. Конструктивні особливості сухих конденсаторів. 14. Конструктивні особливості мокрих конденсаторів.
	Попередня тема	На початок	Наступна тема