Выпарные аппараты с тепловым насосом

Основным достоинством многокорпусных выпарных аппаратов является многократное использование теплосодержания первичного греющего пара. Этим аппаратам свойственны, однако, существенные недостатки: высокая стоимость, значительные размеры занимаемой производственной площади и часто высокая температура кипения в первом корпусе, не всегда приемлемая для концентрируемых растворов. Многократное использование теплосодержания первичного греющего пара может быть достигнуто в однокорпусном аппарате при любой требуемой температуре кипения раствора путем применения принципа теплового насоса. Сущность последнего состоит в том, что образующиеся в аппарате вторичные пары частично или полностью засасываются пароструйным инжектором или турбокомпрессором, сжимаются до выбранного рабочего давления и направляются на обогрев того же аппарата, в котором они сами образовались.

При применении инжектора (рис. 2.10, а, б) может быть использована лишь часть вторичного пара D _в, кг/ч, образующая в сумме с потоком инжектирующего пара D _о, кг/ч, требующегося количество греющего пара D, кг/ч. Если в аппарате испаряется W, кг/ч, воды, то избыток (W- D _в), кг/ч, вторичного пара может быть направлен на другие производственные нужды. Таким образом, расход первичного (инжектирующего) пара на выпарной аппарат будет равен:

D _о = D - D _в = {[ S _н с _н (t _к- t _н) + W (h _в- ct _к) + Q ₀] / (h _п- ct _п)} - D _в. (2.1)

Количество вторичного пара, всасываемого и сжимаемого 1 кг инжектирующего пара, называется коэффициентом инжекции и обозначается через U = D _в/ D _о. Заменив в последнем уравнении величину D _в на равную ей U D _о, окончательно получим (в кг/ч):

D _о = [ S _н с _н (t _к- t _н) + W (h _в- ct _к)+ Q ₀] / (h _п- ct _п) (1+ U)]. (2.2)

Из выражения (2.2) следует, что расход греющего пара уменьшается по мере увеличения коэффициента инжекции. Последний же, как известно, возрастает с понижением степени сжатия вторичного пара и с увеличением давления инжектирующего пара. Как правило, использование выпарных аппаратов с инжекцией вторичного пара экономически целесообразно при степенях сжатия последнего не более 1,5-2. Следовательно, такие аппараты выгодны при концентрировании растворов с низкой температурной депрессией. Заметим, что рассматриваемый вариант теплового насоса применим также в многокорпусных выпарных аппаратах, где с инжекцией вторичного пара работает чаще всего первый корпус и значительно реже – второй.

В случае использования турбокомпрессора (рис. 2.10в) сжатию до рабочего давления греющего пара подвергается весь вторичный пар (W, кг/ч), образующийся в выпарном аппарате. Однако вследствие неизбежных потерь тепла в окружающую среду, а также с уходящим конденсатом и концентрированным раствором одного лишь сжатого вторичного пара недостаточно для обеспечения постоянной производительности выпарного аппарата непрерывного действия. В связи с этим для образования постоянного потока греющего пара (D, кг/ч) приходится вводить извне некоторое дополнительное количество (D _о, кг/ч) первичного пара. Величина D _о может быть найдена из уравнения теплового баланса:

D = W + D _о = [ S _н с _н (t _к- t _н) + W (h _в- c t_к) + Q ₀] / (h _п - ct _п). (2.3)

Откуда

D _о = [ S _н с _н (t _к - t _н) + W [(ct _п – ct _к) - (h _п - h _в)] + Q ₀]/ (h _п- ct _п). (2.4)

Рис. 2.10. Выпарные аппараты с тепловым насосом: а – однокорпусный аппарат с пароструйным инжектором; б – трехкорпусный аппарат с инжектором на первом корпусе и конденсатором смешения; в – однокорпусный аппарат с турбокомпрессором; 1 – аппарат; 2 – инжектор; 3 – турбокомпрессор

Применение турбокомпрессора, а не поршневого компрессора исключает загрязнение смазочными маслами сжимаемого вторичного пара, конденсат которого, как правило, используется для питания паровых котлов. Турбокомпрессор приводится в движение чаще всего электромотором, реже – паровой турбиной.

Рассматриваемый вариант теплового насоса выгоден, очевидно, до тех пор, пока стоимость сжатого вторичного пара перекрывает затраты на приведение в движение, амортизацию, обслуживание и ремонт турбокомпрессора. Технико-экономические расчеты показывают, что указанное условие удовлетворяется при степени сжатия вторичного пара р ₂/ р ₁ не более 2,5 (здесь р ₁ и р ₂ – давления вторичного пара на выходе из выпарного аппарата и после турбокомпрессора). Легко видеть, что возможность применения теплового насоса вообще отпадает в тех случаях, когда температура насыщенного пара при давлении р ₂ равна температуре кипения раствора t ₁ в аппарате (рабочая разность температур равна нулю). Выгодность же его применения возрастает по мере увеличения разности температур t _p2- t ₁, минимальное значение которой не должно быть, однако, ниже 7-8 ^оС. Иными словами, тепловой насос тем выгоднее, чем меньше температурная депрессия выпариваемого раствора.

Дата добавления: 2014-01-07