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_нс_н (t_к-t_н) + W (h_в-ct_к) + Q₀] / (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_нс_н (t_к-t_н) + W (h_в-ct_к)+Q₀] / (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_нс_н (t_к-t_н) + W (h_в-ct_к) + Q₀] / (h_п - ct_п). (2.3)

Откуда

D_о = [ S_нс_н (t_к - t_н) + W [(ct_п – ct_к) - ( h_п - h_в)] + Q₀]/ (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 р₂/р₁ не более 2,5 (здесь р₁ и р₂ – 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 р₂ равна температуре кипения раствора t₁ в аппарате (рабочая разность температур равна нулю). Выгодность же его применения возрастает по мере увеличения разности температур t_p2-t₁, минимальное значение которой не должно быть, однако, ниже 7-8 ^оС. Иными словами, тепловой насос тем выгоднее, чем меньше температурная депрессия выпариваемого раствора.