Condensarea vaporilor. Condensatoare

Condensarea vaporilor. Condensatoare

1.Notiuni generale

Numeroase procese tehnologice care includ operatii de distilare, uscare, incalzire,evaporare,etc. implica si condensarea vaporilor rezultati in timpul lucrului.

Prin condensare se intelege trecera vaporilor in stare lichida in conditii de temperatura si presiune constanta.

Scopul operatiei de condensare poate fi:

-indepartarea vaporilor din instalatia unde s-au produs;

-recuperarea vaporilor pretiosi in stare lichida ;

-mentinerea unei depresiuni in instalatie cand condensarea este insotita de elimnarea gazelor necondensabile cu ajutorul pompelor de vid.

In procesul de condensare trebuie preluata caldura latenta de vaporizare si uneori o parte din caldura condensatului. In industria alimentara de regula agentul de preluare al caldurii utilizat este apa sau in cazul condensarii la temperaturi scazute pot fi utilizati si alti agenti de schimb de caldura cum ar fi aerul, etc.

Aparatele in care se realizeaza condensara se numesc condensatoare.Acestea se pot grupa dupa modul cum decurge condensarea in:condensatoare indirecte(de suprafata) si condensatoare directe(de amestec).

In condensatoarele de suprafata tranferul de caldura si condensarea se realizeaza in aparatele de tipul schimbatoarelor de caldura, utilizate in special in cazul cand se urmareste recuperarea materialului obtinut prin condensare.

In condensatoarele de amestec vaporii care trebuie condensati se amesteca cu agentul care trebuie sa preia caldura.Procedeul este utilizat atunci cand vaporii care trebuie condensati, neprezentand valoare industriala, urmeaza sa fie separati si eliminati.De regula acestea sunt produse nemiscibile in apa si separarea se realizeaza prin decantare lichid-lichid.

In operatia de condensare sunt intalnite doua cazuri:vaporii care trebuiesc condensati sunt formati dintr-un singur component sau din mai multi componenti.In primul caz condensarea la o anumita presiune se realizeaza la temperatura de fierbere (constanta) urmand racirea condensului.In cazul mai multor componenti, condensarea poate fi partiala, operatia fiind aplicata la aparatele de distilare si rectificare din industria spirtului sau condensare totala,cand se urmareste obtinerea unui condensat de aceeasi compozitie cu vaporii din care a provenit.

2.Condensatoare de suprafata.Calculul termic.Tipuri constructive

Aceste condensatoare fac parte din schimbatoarele de caldura de tipul recuperatoarelor.Se considera ca vaporii sunt saturati iar condensul nu se subraceste.In acest caz se cedeaza numai caldura latenta de condensare intr-un regim la temperatura si presiune constanta (izoterm-izobar).Neglijand pierderile de caldura spre exterior, bilantu termic Q se exprima cu relatia:

in care:M_v-masa vaporilor condensati [Kg]; i_v-entalpia vaporilor saturati [J/Kg];i_c-entalpia condensului [J/Kg]; M_a-masa apei(agentului) de racire [Kg]; c_a-caldura specifica a apei [J/Kg·grd]; T₁-temperatura agentului de racire la intrare [°C]; T₂-temperatura agentului de racire la iesire [°C].

Daca exprimam factorul de racire k_r prin raportul :,Incalzirea agentului de racire la iesirea din aparat va fi data de relatia : .

Se observa ca diferenta de temperatura ∆T depinde pe de o parte de debitul de agent de racire  si de temperatura cea mai scazuta pe care poate sa o aiba agentul de racire T₁.In general se vor alege k_r=50-75,viteza optima pentru apa 1-2,5 m/s. Elementele de calcul sunt similare cu cele de la schimbatoarele de caldura recuperatoare.

Condensatoarele de suprafata pot fi tubulare verticale sau orizontale cu una sau mai multe treceri pentru mediul de racire, cu tevi cu aripioare sau cu serpentine. Condensatoarele verticale tubulare au lungimea tevilor limitata de formarea unui film de condens de grosime mare spre partea inferioara a schimbatorului, care diminueaza schimbul de caldura.Un mijloc de a remedia acest inconvenient este de a monta pe tevile verticale, la distante de 100-200 mm dispozitive care au rolul sa indeparteze pelicula.

Fig. 1 Condensatoare de suprafatǎ a)cu tevi verticale, b)cu tevi orizontale c) cu tevi cu aripioare, d)tip " teavǎ in teavǎ".

Diametrul exterior al acestor dispozitive trebuie sa fie suficient de mare pentru ca lichidul sa curga de pe ele in picaturi.

Condensatoare de amestec.Calculul termic. Tipuri construtive

Condensatoarele de amestec sunt aparate utilizate la condensarea vaporilor unor lichide care nu se recupereaza (nevaloroase). Se caracterizeaza prin debit mare de condensare si constructie relativ simpla. Sunt aparate anexe ale instalatiilor de evaporare.

Dupa directia de miscare a vaporilor si a apei condensatoarele de amestec pot fi cu functionare in echicurent sau in contracurent. Dupa modul in care lucreaza se intalnesc:

- condensatoare umede, in care apa, condensatul si gazele necondensabile se evacueaza impreuna, cu ajutorul unei pompe de vid umede.

- condensatoare uscate, in care condensatul si apa se scurg printr-o conducta la partea inferioara a condensatorului, iar gazele se evacueaza pe la partea superioara prin intermediul unei pompe de vid pentru gaze.

Dupa modul de evacuare al apei de racire-condensat, se intalnesc 2 sisteme:

a. cu coloana barometrica sau de nivel ridicat; b. condensatoare de amestec cu nivel scazut.

a)                                b)

Fig.2 Condensatoare de amestec

a) Vaporii intra in corpul condensatorului 1 pe la partea inferioara, iar apa pe la partea superioara. Aerul este eliminat prin partea de sus si se separa de picaturile de apa care se scurg printr-o coloana barometrica 2. Aerul uscat se evacueaza cu o pompa de vid. Lichidul format din apa de racire si vaporii condensati este evacuat prin coloana barometrica in bazinul de colectare  

Bilantul termic al unui condensator de amestec se poate scrie:

in care:M_ma-debitul de apa de racire

M_mv-debitul de vapori care condenseaza

i_a-entalpia apei de racire

i_v-entalpia vaporilor care condenseaza

i_l-entalpia amesteculi lichid condens+apa

sau in functie de temperatura apei (t_i) si la iesire (t_f):

in care:c- caldura specifica a [J7Kg.grd]; de unde se poate exprima debitul de apa de racire:

Calculul de dimensionare al condensatorului :

- diametrul condensatorului se determina cu relatia:

 [m]

in care: D_c- diametrul condensatorului [m]

M_mv- debitul de vapori de condensat[Kg/s]

ρ_m- densitatea vaporilor [Kg/m³]

v- viteza vaporilor in sectiunea libera a coloanei [m/s](se recomanda v= 35-55 m/s ca sa nu antreneze picaturile de apa).

Lungimea coloanei barometrice H se determina aplicand ecuatia lui Bernoulli intre capatul superior al conductei si rezervorul deschis de acumulare.

se considera :

sau:

inaltimea coloanei barometrice H:

Coloana barometrica trebuie sa asigure curgerea libera a lichidului si echilibrarea presiunii in exteriorul si interiorul condensatorului. Inaltimea coloanei se determina prin relatia:

 [m H₂O]

in care: p_a, p_c- presiunea atmosferica/ presiunea din condensator [Pa] (1Pa = 10⁵KgF/cm²)

ρ_a- densitatea apei[Kg/m³]

v- viteza apei in coloana barometrica= 0,5-2 m/s

λ-coeficient de rugozitate(λ=0,021 pentru conducte din otel)

ξ-coeficientul de rezistenta locala la intrarea in conducta (ξ₁) si la iesirea din conducta (ξ₂), (ξ= ξ₁+ ξ₂)

1- 2 adaugiri a 0,5m (sus pentru siguranta in functionare, jos pentru afundarea in lichid)

d- diametrul conductei barometrice [m]

- Forma sicanelor:  [mm]

- Gradul de incalzire al apei:

-Debitul gazelor necondensabile Mg

La condensare totala volumul s-ar reduce de 10³ ori, asigurand vidul.

M_g= 24· 10^-6· M_a+ 0,01·M_mv [Kg/h]

-Debitul pompei de vid:

in care: p₀= 760 mm Hg; p- presiunea nominala la saturatie a vaporilor de apa la T_g; T₀= 273,15°C; ρ_aer= 1,293 Kg/m³; T_g- temperatura gazelor la iesire(mai mare cu 5°C ca temperatura apei de racire la intrare).

b) Condensatorul umed cu nivel scazut( fig2.b) se utilizeaza in cazul cand din motive de amplasare este imposibila amplasarea coloanei barometrice. Apa de racire impreuna cu condensul si cu gazele necondensabile sunt eliminate pe la partea inferioara de o pompa. Circulatia vaporilor si a apei se face in echicurent.