Система паровых трубопроводов

Принципиальная схема системы распределения пара и сбора конденсата показана на рис. 6.11.7. Пар проходит через главный клапан в сухопарнике котла и через редукционный клапан к распределительному сосуду, от него – к различным потребителям. Часто редукционный клапан устанавливается непосредственно перед потребителем для точной регулировки давления пара. Система паровых трубопроводов подвергается большим температурным перепадам. Это приводит к значительному тепловому расширению труб. Поэтому трубы нужно монтировать так, чтобы ничто не препятствовало их осевому перемещению.

Охлаждение

Технологический процесс производства продукта должен протекать при строго определенных температурных условиях. Повышение температуры обычно приводит к активизации микроорганизмов, которые могут присутствовать в продукте, а также к ускорению протекания ферментативных реакций. Такой активности нужно всячески избегать, для этого необходимо как можно быстрее после завершения определенного этапа технологического процесса снизить температуру продукта. Следовательно, на молочных заводах потребность в охлаждении достаточно велика, при этом эксплуатационные расходы на холодильное оборудование составляют заметную статью бюджета предприятия.

Принцип охлаждения

Принцип охлаждения основан на поглощении тепла при превращении жидкости в пар. Это явление, теплота испарения, уже упоминалось при описании парового котла. Внутреннее давление в паровом котле выше атмосферного давления, и поэтому вода в котле закипает при более высокой температуре. Когда давление повышено до 1000 кПа (10 бар), вода закипает при 183°С.

И наоборот, если давление понижено, вода закипает при более низкой температуре. При атмосферном давлении вода кипит при 100°С (рис. 6.11.8 В). Если давление ниже атмосферного, создается вакуум, и вода кипит при температуре ниже 100°С. Подключив вакуумный насос к сосуду с водой и снизив абсолютное давление до 50 кПа (0,5 бара), можно заставить воду кипеть при 80°С. А если давление снизить до 1,25 кПа (0,0125 бара), вода закипит при 10°С.

Если в последнем случае сосуд поместить в изолированное помещение, в котором температура воздуха равна 20°С, тепло будет передаваться от воздуха к воде, находящейся в сосуде. Вода в этом случае превратится в пар. Если образовавшийся таким образом пар непрерывно удаляется, так что давление внутри емкости не превышает 1,25 кПа, воздух в помещении будет охлаждаться в процессе передачи тепла воде, находящейся в сосуде, то есть вода будет играть роль хладагента. 1,25 кПа – это очень низкое давление, и поэтому было бы слишком дорого использовать воду в качестве хладагента. Существуют другие жидкости, которые закипают при той же температуре, но гораздо более высоких давлениях. У такой жидкости давление насыщенного пара выше, чем у воды. Возьмем, например, эфир. Если капля этой жидкости попадет на кожу, мы сразу ощутим холод. Причина в том, что тепло от кожи переходит к жидкому эфиру в момент его кипения и преобразования в пар. Эфир кипит при температуре ниже 37°С при атмосферном давлении. Если давление на поверхности жидкости снижать с помощью вакуумного насоса, можно заставить ее закипеть при температурах ниже нуля.

В качестве хладагента широко используется аммиак. Он кипит при атмосферном давлении при температуре минус 33°С. Если давление снизить до 50 кПа (0,5 бара), аммиак будет кипеть при минус 45°С. Фреон R22 – еще один известный хладагент, который, в отличие от аммиака, не токсичен и не имеет запаха, а также не горит и не взрывается. Как хладагент он имеет примерно одинаковое с аммиаком давление насыщенного пара при различных температурах. Применение таких хладагентов, как R12 и R22, сегодня в большинстве стран ограничено, так как они способствуют разрушению озонового слоя в стратосфере земли. Основу этих хладагентов составляют хлорированные фторуглероды (ХФУ). И именно хлор оказывает разрушительное воздействие на озон. Кроме того, ХФУ – одни из виновников нарастания так называемого парникового эффекта. При выборе системы охлаждения желательно по возможности заменять хладагенты ХФУ безопасными для окружающей среды веществами.

Работа системы охлаждения

Система охлаждения – это замкнутая схема, в которой хладагент непрерывно преобразуется из газового состояния в жидкое, и наоборот, поочередно подвергаясь воздействию то пониженного давления (расширение), то повышенного (сжатие). Основными узлами системы являются:

• Испаритель

• Компрессор

• Конденсатор

• Расширительный клапан.

Хладагент находится под низким давлением в испарителе, где он поглощает тепло из окружающего пространства. Это приводит к непрерывному испарению части хладагента. Пар непрерывно извлекается из испарителя компрессором, который таким образом удерживает на постоянном уровне давление хладагента и его температуру испарения.

В компрессоре находящийся в парообразном состоянии хладагент сжимается до более высокого давления. Затем горячие пары хладагента вытесняются из компрессора в конденсатор для охлаждения. Сжатие приводит к повышению и температуры парообразования, и температуры конденсации хладагента. При использовании аммиака в качестве хладагента рабочая температура парообразования часто составляет около 20°С ниже нуля, что соответствует абсолютному давлению парообразования 200 кПа (2 бара).

Давление испарившегося газа повышается примерно до 1000 кПа (10 бар) в компрессоре, что соответствует температуре испарения 25°С. При этом аммиачный газ конденсируется, то есть переходит из парообразного в жидкое состояние. Это происходит в конденсаторе путем охлаждения водой или воздухом. Тепло, поглощенное аммиаком в испарителе, высвобождается в конденсаторе.

Сконденсированный жидкий аммиак должен затем быть возвращен из конденсатора в испаритель. Жидкость пропускается через расширительный клапан для снижения давления. При этом также снижается температура жидкости. Расширительный клапан настроен на снижение давления до строго определенного уровня (при котором жидкость приобретает то же давление, что и в испарителе). Небольшая часть жидкости испаряется в расширительном клапане при снижении давления. Необходимая теплота парообразования забирается от жидкости, которая вследствие этого охлаждается.

Испаритель

Испаритель – это та часть холодильной установки, в которой происходит испарение хладагента. Конструкция испарителя зависит от типа используемого хладагента. На молочных заводах, главным образом, эксплуатируются три вида испарителей:

• Испарители с воздушной циркуляцией

• Кожухотрубные и пластинчатые испарители

• Испарители-змеевики для накопления льда.

В испарителе с воздушной циркуляцией (рис. 6.11.10) воздух охлаждается, проходя через батарею труб, оснащенных ребрами для максимального увеличения площади теплопередачи. Хладагент, циркулирующий по трубам, поглощает тепло из воздуха и испаряется. Испарители этого типа применяются для охлаждения складских помещений и для охлаждения воздуха в установках кондиционирования воздуха.

Кожухотрубные и пластинчатые испарители широко применяются на молочных заводах, где их основная функция – извлечение тепла у циркулирующих хладагентов, которые охлаждают продукцию в производственных теплообменниках. В числе этих хладагентов – ледяная вода, рассол и спирты (алкоголь и гликоль), которые замерзают при температурах ниже нуля.

Испаритель-змеевик (на рис. 6.11.11), предназначенный для накопления льда, помещают в сосуд с водой для ее сильного охлаждения. В ночное время на трубах испарителя, по которым циркулирует хладагент, образуется слой льда. Это позволяет использовать дешевую электроэнергию для работы охладительной установки. Днем лед тает, увеличивая количество ледяной воды и производительность охладительной установки.

Компрессор

Пар хладагента сжимается в компрессоре до высокого давления. Это повышает температуру пара. Работа, выполненная компрессором, передается газу в виде тепла. Это означает, что газ, покидающий компрессор, содержит больше тепла, чем было поглощено в испарителе. Вся эта теплота должна быть, следовательно, изъята при охлаждении в конденсаторе. Наиболее широко используемым холодильным компрессором является компрессор поршневого типа.

Газ затягивается в цилиндры и сжимается в них поршнями. Количество цилиндров изменяется в зависимости от холодильной мощности машины, которая может составлять от 0,1 до 400 кВт.

В последнее время так же широко применяется и винтовой компрессор (рис. 6.11.12), особенно когда требуются большие мощности. Его основные детали – два винтовых ротора, установленных в общем корпусе. При вращении роторов газ затягивается в промежутки между выступами (см. также раздел об объемных насосах, глава 6.7) и захватывается в зазорах. Пространство между выступами постепенно сужается по мере перемещения газа вдоль роторов, поэтому газ постепенно сжимается, и давление нарастает. Сжатый пар направляется в конденсатор.

В большинстве винтовых компрессоров на сопрягающиеся поверхности распыляется масло для уменьшения утечки через зазоры между роторами. Таким образом, можно обеспечить высокий коэффициент полезного действия даже при работе на малых скоростях. Масло отделяется от пара в маслоуловителе, расположенном перед конденсатором.

Винтовые компрессоры используются в крупных установках. Самым существенным преимуществом компрессоров этого типа является то, что их производительность при необходимости может быть снижена до 10% от максимально возможной без чрезмерных потерь электроэнергии.

Конденсатор

Тепло, поглощенное испарителем, и тепло, отданное пару в компрессоре, отводится при охлаждении в конденсатор. Конденсаторы подразделяются на три типа:

• Конденсаторы воздушного охлаждения

• Конденсаторы жидкостного охлаждения

• Испарительные конденсаторы.

Выбор конденсатора определяется внешними факторами, такими как водоснабжение, стоимость воды и продолжительность работы установки.

Конденсаторы воздушного охлаждения до последнего времени, как правило, использовались в небольших холодильных установках, но сейчас находят все более широкое применение в крупных установках. Причина – в быстром росте стоимости воды, а иногда в неуверенности в ее постоянных поставках. В конденсаторе воздушного охлаждения хладагент проходит сквозь охлаждающий змеевик с ребрами, вокруг которого циркулирует охлаждающий воздух. При охлаждении в змеевике хладагент конденсируется, после чего направляется к дроссельному клапану.

Конденсатор водяного охлаждения – наиболее экономичный вариант в тех местах, где имеется дешевое водоснабжение. Самая распространенная конструкция – трубный конденсатор. Его работа построена на циркуляции охлаждающей воды по трубам, что приводит к конденсации хладагента на внешних поверхностях труб.

Конденсатор водяного охлаждения часто объединяют с градирней.

Охлаждающая вода охлаждается воздухом в градирне, а затем перекачивается в конденсатор, где поглощает теплоту конденсации хладагента. Из конденсатора вода обратно перекачивается в градирню для очередного цикла охлаждения воздухом. Испарительный конденсатор представляет собой объединение конденсатора воздушного охлаждения с градирней. К такому варианту прибегают при недостатке или в случае высокой стоимости охлаждающей воды.

Прочее оборудование

Описанная выше охладительная установка сильно упрощена с целью иллюстрации принципа ее работы. Для работы данной установки необходимо множество компонентов – например, баки для хладагента, фильтры, маслоотделители, предохранительные клапаны, отсечные клапаны, датчики уровня, давления и температуры и прочие виды контрольного оборудования, обеспечивающего безопасную работу установки. Данная установка может быть также оборудована устройствами автоматического управления, устраняющими необходимость постоянного наблюдения за установкой и обеспечивающими более экономичную работу.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: