На нашем интернет портале море информации по пищевой
и перерабатывающей промышленности, АПК и пищевой тематике
» » Компрессионные вакуум-аппараты и их расчет

Компрессионные вакуум-аппараты и их расчет

При концентрировании продуктов в однокорпусных вакуум- аппаратах расходуется 1,2...1,3 кг пара на 1 кг выпаренной воды.
При этом 75% всей затрачиваемой тепловой энергии остается во вторичных парах, направляемых на конденсацию. Использование теплоты вторичных паров в тепловых аппаратах ограничивается из- за их низкой температуры (50...60° С). Однако энтальпия вторичных паров температурой 50...60° С сравнительно мало отличается от энтальпии водяного насыщенного пара температурой 120... 130° С. Поэтому очень выгодно использовать в тепловых аппаратах в качестве теплоносителя вторичный пар. Для этого его предварительно сжимают, в результате чего давление и температура его повышаются.

При увеличении степени сжатия вторичных паров повышается расход энергии, поэтому вторичный пар сжимают только до определенного предела. Минимальное повышение температуры вторичного пара при сжатии 8... 12° С и определяется необходимым перепадом между температурами пара и среды, воспринимающей теплоту. При таком перепаде температур обеспечивается нормальная интенсивность теплообмена, хотя в этих условиях необходима сравнительно большая поверхность нагрева. Устройство для сжатия вторичных паров называют тепловым насосом. В качестве теплового насоса широко применяют инжекторы, реже — компрессоры и турбокомпрессоры.

Вакуум-аппараты, работающие на сжатом вторичном паре, называют вакуум-аппаратами с тепловым насосом, или компрессионными вакуум-аппаратами.

Вакуум-аппарат с пароструйным тепловым насосом (рис. 1), известный под названием концентратор, предназначен для концентрации томатопродуктов до содержания 15... 18% сухих веществ. Внутри корпуса 1 установлена трубчатая вертикальная нагревательная камера 12 с циркуляционной трубой 10, а снаружи — пароструйный тепловой насос 2.

Рис. 1. Вакуум-аппарат с пароструйным насосом

Рис. 1. Вакуум-аппарат с пароструйным насосом: 1 — корпус; 2 — пароструйный насос; 3 — соединительный трубопровод; 4 — ловушка; 5 — колпак; 6 — штуцер; 7 — задвижка; 8 — труба для отвода газа; 9 — опора; 10 — циркуляционная труба; 11 — пробковый кран; 12 — нагревательная камера

Надсоковое пространство вакуум- аппарата соединено с тепловым насосом и конденсатором.

Нагревательная камера концентратора образована из двух плит толщиной 16 мм, в которые ввальцованы 1780... 1800 трубок диаметром 30/33 мм и длиной 600 мм. Для лучшей циркуляции продукта между плитами эксцентрично установлена циркуляционная труба диаметром 540 мм.

Общая площадь поверхности нагрева 97... 108 м2.

Концентратор работает под вакуумом 87...91 кПа, что соответствует температуре кипения томатной массы 52...58° С. При заполнении трубок по высоте примерно на 450...500 мм объем загружаемой массы 1500... 1600 дм3.

Острый пар давлением 0,8...1,1 МПа, проходя через сопло расширения (сопло Лаваля), помещенное в головке теплового насоса, расширяется до давления вторичного пара 12,5...13,6 кПа. При этом скорость острого пара значительно увеличивается, достигая в ряде случаев 1000 м/с, что больше критической скорости. Вследствие столкновения частиц острого и вторичного пара, имеющих сравнительно небольшую скорость, а также благодаря трению этих частиц часть кинетической энергии острого пара передается вторичному пару, скорость движения образующейся при этом смеси больше скорости движения вторичного пара и меньше скорости движения острого пара. Однако давление смешанного пара равно давлению вторичного пара. Количество вторичного пара, инжектируемого 1 кг острого пара, называют коэффициентом инжекции и обозначают U. Смешанный пар проходит через камеру сжатия, представляющую собой два усеченных конуса, соединенных меньшими основаниями; при этом скорость пара уменьшается, а за счет этого увеличивается его давление. После такого сжатия получается греющий пар давлением 25...30 кПа, поступающий в нагревательную камеру вакуум-аппарата. Температура греющего пара 65...70° С. При этих условиях коэффициент инжекции составляет 0,8... 1,0.

Коэффициент теплопередачи К= 1850...2000 Вт/(м2-К). Расход пара на 1 кг выпаренной воды 0,5...0,6 кг/кг.

Концентрирование томатной массы с 4,5...5,5% до пюре, содержащего 15... 18% сухих веществ, при получении готовой продукции в количестве 1600... 1700 кг продолжается около 2100 с, время полного оборота аппарата составляет примерно 3000 с (50 мин).

Выпарной аппарат аналогичной конструкции с пароструйным тепловым насосом фирмы «Гольдерн и Грим» и площадью поверхности нагрева 75 м2 предназначен для получения томатного пюре с содержанием 12... 15% сухих веществ.

Расход острого пара при работе вакуум-аппарата с пароструйным тепловым насосом можно определить следующим образом.

тепловой расчет вакуум-аппарата


Удельный расход острого пара на 1 кг выпаренной воды (кг)

Удельный расход острого пара на 1 кг выпаренной воды (кг)

 Низкотемпературную выпарную установку с компрессионной холодильной установкой (аммиачной или фреоновой) в качестве теплового насоса целесообразно применять в том случае, если конденсат вторичных паров (например, при концентрировании цитрусового сока) имеет определенную ценность и температура кипения сока не превышает 25° С.

В низкотемпературной выпарной установке (рис. 2) в качестве холодильного агента использован аммиак.

Сжатые компрессором 6 до давления 1,58 МПа пары аммиака температурой 40° С поступают в межтрубное пространство испарителя вакуум-аппарата 1. Конденсируясь при 40° С, пары аммиака отдают свою теплоту парообразования на испарение воды из сока. В вакуум-аппарате вода испаряется при температуре кипения 25° С; давление вторичных паров 3,2 кПа.

Рис. 2. Низкотемпературная выпарная установка

Рис. 2. Низкотемпературная выпарная установка

 

Сконденсировавшийся жидкий аммиак проходит через переохладитель 7; здесь температура его снижается с 40 до 35° С. Затем аммиак проходит через регулирующий вентиль 8, где дросселируется от давления 1,58 МПа до давления 0,47 МПа, и направляется в емкость 5, при этом температура его снижается до 2° С. Затем жидкий аммиак попадает в трубку конденсатора 3.

Вторичные пары из сепаратора 2 поступают в конденсатор 3; здесь они конденсируются, отдавая свою теплоту парообразования жидкому аммиаку, имеющему температуру 2° С. Часть вторичных паров, по массе равная количеству влаги, выпаренной в результате работы компрессора 6, вместе с воздухом откачивается двухступенчатым эжекторным насосом 4. Остальная часть вторичных паров уже в виде конденсата откачивается насосом 9.

В конденсаторе 3 жидкий аммиак испаряется, отбирая теплоту от конденсирующихся вторичных паров; отсюда в виде пара давлением 0,47 МПа и температурой 2° С аммиак всасывается компрессором 6; здесь пары аммиака снова сжимаются до давления 1,58 МПа, а температура повышается до 40° С.

Выпарная установка работает за счет затраты механической энергии в компрессоре, при этом не требуются водяной пар для выпаривания и охлаждающая вода для конденсации вторичных паров. Процесс конденсации происходит при низких температурах кипения сока.

В низкотемпературных выпарных аппаратах при сгущении фруктовых соков используется принцип «падающей пленки»: сок тонкой пленкой движется по внутренней поверхности вертикальных труб сверху вниз. В эту же сторону движутся и вторичные пары. При этом концентрация, вязкость и температура кипения сока повышаются, вследствие чего уменьшаются коэффициент теплопередачй и полезная разность температур.

Низкотемпературные пленочные выпарные установки выпускают производительностью 0,05...3,6 кг/с выпариваемой воды (18... 13 000 кг/ч) с компрессорами мощностью 0,25...550 кВт.

Производительность выпарной установки, холодопроизводи- тельность холодильного компрессора, а также мощность компрессора находят при помощи диаграммы Г—5 для холодильного агента.

Если задано количество воды, выпариваемой в выпарной установке, холодопроизводительность холодильного компрессора (Вт)

холодопроизводительность холодильного компрессора (Вт)

 Производительность выпарной установки при известной холодо-производительности компрессора (кг/с)

Производительность выпарной установки при известной холодо-производительности компрессора (кг/с)

 

Анализ статей расхода теплоты при работе низкотемпературной выпарной установки показывает, что из-за низких температур кипения расход теплоты на нагрев сока очень мал. Однако на выпаривание в них расходуется значительно больше теплоты, чем в обычных выпарных установках, так как теплота парообразования при низких температурах кипения очень велика. В такой установке из-за низких температур на поверхности аппарата потери теплоты в окружающую среду очень малы, а в ряде случаев наблюдается приток теплоты к аппарату извне.

Из приведенного расчета мощности компрессора следует, что удельный расход энергии (на 1 т испаренной воды) снижается при уменьшении разности между температурами вторичных паров в калоризаторе вакуум-аппарата и в конденсаторе. Это возможно в двух случаях: при более низких температурах паров аммиака после сжатия и при более высоких температурах их после дросселирования или при более низких температурах конденсации аммиака и более высоких температурах его испарения.

При экономичных режимах выпаривания — при малых разностях температур в нагревательной камере вакуум-аппарата — необходимо применение развитой (большой) поверхности нагрева, для чего может быть использована трубчатая нагревательная камера. Целесообразность такой схемы концентрирования обусловливается экономическими показателями при определенных условиях.
Аппарат для крио- концентрирования плодово-ягодных соков был создан в Дагестанском политехническом институте (рис. 3). В цилиндрическом корпусе 2 аппарата, закрепленном на станине 14, размещен испаритель, состоящий из змеевика 3, внутренней 4 и наружной 5 стенок цилиндрической формы, полость между которыми заполняется рассолом. Между наружной стенкой 5 испарителя и корпусом 2 аппарата имеется теплоизоляционный слой 6. Внутри рабочей полости аппарата по его оси установлен вертикальный вал 7 со скребком 15 для скалывания намерзшей на рабочей внутренней стенке 4 испарителя пленки льда. На верхний конец вала 7 жестко насажен шнек 9 для удаления сколотых кристаллов льда из аппарата. Аппарат имеет лоток 8 для отвода массы льда в центрифугу, патрубок 10 для подачи свежего сока и патрубок 1 для удаления готового концентрированного сока в сборник концентрата. На нижний конец вала 7 жестко насажена звездочка 13 цепной передачи от электропривода 12. Место выхода вала 7 из рабочей полости аппарата снабжено сальником 11 для обеспечения герметичности последней.

Рис. 3. Криоконцентратор

Рис. 3. Криоконцентратор

При работе аппарата в испарителе устанавливается температура кипения жидкого хладагента, оптимальная для получения сока требуемой концентрации. Свежий сок, предварительно охлажденный до температуры, близкой к температуре замерзания воды, подается в центрифугу для промывки ледяной массы, а затем через патрубок 10 выпрыскивается на кристаллы льда, выталкиваемые шнеком 9 из рабочей полости аппарата, и стекает вниз. Электропривод 12 приводит во вращение вертикальный вал 7, вместе с ним вращается и скребок 15, который скалывает намерзшую на рабочую внутреннюю стенку 4 испарителя пленку льда и одновременно служит смесителем концентрируемого сока в рабочей полости аппарата. Таким образом добиваются вымораживания воды из сока до необходимой
его концентрации, не замораживая при этом всего продукта. Готовый концентрированный сок из нижней части рабочей полости аппарата по патрубку 1 поступает в сборник концентрата.

Сколотый скребком 15 лед удаляется шнеком 9 из рабочей камеры и по лотку 8 подается в центрифугу для отделения оставшегося концентрата сока от льда. Промытая свежим соком ледяная масса используется для дальнейших технологических нужд.

Процесс вымораживания и удаления части влаги в виде льда из плодово-ягодных соков идет непрерывно. Аппарат можно использовать для концентрирования только термолабильных продуктов.

  • Похожие материалы
    • Змеевиковые аппараты. Аппараты с комбинированной

      Змеевиковые аппараты. Аппараты с комбинированной поверхностью теплообмена
      12-04-2013
      В качестве примера на рис. 1 приведена схема холодильника для водно-спиртовых паров с комбинированной поверхностью теплообмена, применяемого в брагоперегонных аппаратах
    • Змеевиковые аппараты. Аппарат с погруженной змеевиковой

      Змеевиковые аппараты. Аппарат с погруженной змеевиковой поверхностью нагрева
      12-04-2013
      Большую группу составляют змеевиковые аппараты. Обладая хорошими теплоэнергетическими показателями, они имеют преимущества перед другими типами аппаратов в простоте
    • Сгущение сока до сиропа

      Сгущение сока до сиропа
      13-09-2012
      Обычно из 100 кг перерабатываемой свеклы на сахарном заводе получается около 125 кг очищенного сока с содержанием примерно 15,0—16% сухих веществ (СВ) и чистотой (Ч)
    • Многокорпусные выпарные установки

      Многокорпусные выпарные установки
      18-08-2012
       Установка, в которой вторичные пары первого аппарата используются в качестве греющего пара во втором, а вторичные пары второго аппарата — в качестве греющего пара
    • Однокорпусные вакуум-аппараты и их расчет

      Однокорпусные вакуум-аппараты и их расчет
      18-08-2012
      Для получения продукта высокого качества, который имел бы натуральные цвет, вкус, аромат и в котором сохранились бы витамины, концентрирование проводят в