7. ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΕΣ Τύποι συμπυκνωτών Συμπυκνωτές απαντώνται σε ευρεία κλίμακα εφαρμογών. Στη χημική βιομηχανία συμπυκνώνουν (και συχνά υποψύχουν) το προϊόν κορυφής αποστακτικών στηλών. Επίσης, συμπυκνώνουν και ανακυκλοφορούν πτητικούς διαλύτες χημικών αντιδραστήρων. Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται είναι διάφορες παραλλαγές εναλλακτών αυλών-κελύφους, κατάλληλα τροποποιημένων. Σε ατμοηλεκτρικούς σταθμούς οι συμπυκνωτές λειτουργούν υπό χαμηλή πίεση (κενό), και συμπυκνώνουν τον εκτονωμένο ατμό από την έξοδο των στροβίλων. Οι διατάξεις αυτές έχουν τεράστια επιφάνεια (> 1000 m2), και αποτελούνται από πολλαπλές δέσμες αυλών. Σε αντλίες θερμότητας και κλιματιστικές μονάδες οι συμπυκνωτές μεταφέρουν/απορρίπτουν θερμότητα προς το περιβάλλον, και συνήθως αποτελούνται από αυλούς με πτερύγια. Οριζόντιος συμπυκνωτής κελύφους Μία δημοφιλής επιλογή είναι ο οριζόντιος συμπυκνωτής του Σχήματος 1, όπου ο προς συμπύκνωση ατμός κυκλοφορεί στο κέλυφος. Η οριζόντια διάταξη των αυλών συμπύκνωσης προτιμάται επειδή οδηγεί σε υψηλότερους συντελεστές μεταφοράς και συνεπώς μικρότερο μέγεθος εναλλάκτη. Πράγματι, για έναν αυλό ισχύει ότι ο λόγος συντελεστών είναι (βλ. εξ. 2, 3) h horiz = 0,725 H vert 0,943 L 1/ 4 D (7.1) Για παράδειγμα, αυλός μήκους 5 m και διαμέτρου 0,02 m δίνει λόγο ίσο με 3. Στην πραγματικότητα, η διαφορά απόδοσης δεν είναι τόσο μεγάλη, καθώς η δέσμη οριζόντιων αυλών έχει μειωμένη απόδοση λόγω της μεταφοράς του συμπυκνώματος από τον ένα στον άλλο. Αν το ψυχρό ρευστό είναι νερό ψύξης, τότε λόγω της διαβρωτικότητάς του συνήθως τροφοδοτείται στους αυλούς, όπου, ανάλογα με την παροχή, μπορεί να απαιτούνται περισσότερα του ενός περάσματα αυλών. Ο ατμός εισέρχεται στο κέλυφος από διαμορφωμένο στόμιο ώστε να ελαχιστοποιείται
η πτώση πίεσης, και κυκλοφορεί μεταξύ των ανακλαστήρων εφόσον το κέλφος είναι τύπου Ε. Οι ανακλαστήρες τοποθετούνται έτσι ώστε η κυκλοφορία να είναι δεξιά-αριστερά, και όχι πάνω-κάτω. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η παγίδευση συμπυκνώματος στον πάτο του κελύφους, η οποία θα εμπόδιζε την διέλευση του ατμού. Για μικρότερη πτώση πίεσης, επιλέγεται κέλυφος τύπου J ή τύπου X. Στην έξοδο του συμπυκνώματος, και σε κατάλληλη θέση, πρέπει να προβλεφθεί δίοδος εξαερισμού για την απομάκρυνση μη-συμπυκνώσιμων αερίων. Σε αντίθετη περίπτωση, τα αέρια συσωρεύονται και σταδιακά καλύπτουν την επιφάνεια εναλλαγής, μειώνοντας την απόδοση της συσκευής. Σχήμα 7.1: Διαμόρφωση εναλλάκτης αυλών-κελύφους 1-2 σε οριζόντιο συμπυκνωτή, με τον ατμό στο κέλυφος. Κατακόρυφος συμπυκνωτής κελύφους Η κατακόρυφη διάταξη έχει αυξημένες απαιτήσεις στήριξης και δυσκολίες συντήρησης, και για τον λόγο αυτό συχνά δεν προτιμάται. Παρουσιάζει όμως εξαιρετικό πλεονέκτημα στην περίπτωση που απαιτείται όχι μόνον η συμπύκνωση του ατμού αλλά και η υπόψυξη του συμπυκνώματος, καθώς το κάτω τμήμα των αυλών μπορεί να λειτουργήσει ως ένας καλά ελεγχόμενος μονοφασικός εναλλάκτης. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με την προσθήκη βαλβίδας υπερχείλισης (loop seal), η οποία εξασφαλίζει σταθερή στάθμη υγρού και ικανοποιητικό χρόνο παραμονής (βλ. σχήμα 2). Σχήμα 7.2
Συμπυκνωτές αυλών Στην περίπτωση που ο ατμός ή το συμπύκνωμα είναι πολύ διαβρωτικό, είναι προτιμότερο η συμπύκνωση να λάβει χώρα εντός των αυλών. Η διάταξη αυτή είναι επίσης αποτελεσματικότερη στην απομάκρυνση των μησυμπυκνώσιμων, καθώς η ροή στο εσωτερικό του αυλού δεν επιτρέπει παγίδευση του αερίου. Ένα παράδειγμα δίνεται στο Σχήμα 3, όπου ο ατμός και το συμπύκνωμα κινούνται σε ομορροή και η κάτω κεφαλή του εναλλάκτη έχει ειδική πρόβλεψη για διαχωρισμό και απομάκρυνση των αερίων. Σχήμα 7.3: Κατακόρυφος συμπυκνωτής αυλών. Μία παραλλαγή αυτού του σχεδιασμού αποτελεί ο συμπυκνωτής επαναρροής (reflux reboiler), όπου ο ατμός εισέρχεται στο κάτω άκρο των αυλών και κινείται προς τα πάνω, ενώ το συμπύκνωμα ρέει με την βαρύτητα προς τα κάτω. Τα μη-συμπυκνώσιμα απομακρύνονται από το άνω άκρο των αυλών, ενώ ο ατμός έχει ήδη συμπυκνωθεί. Ο σχεδιασμός αυτός είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στον διαχωρισμό του συμπυκνώματος, αλλά περιορίζεται από προβλήματα πλημύρισης λόγω της αντιρροής. Διαστασιολόγηση Συμπυκνωτής κελύφους Για τον υπολογισμό του ολικού συντελεστή μεταφοράς συμπυκνωτή κελύφους, ο συντελεστής συμπύκνωσης λαμβάνεται από την ανάλυση κατά
Nusselt. Για αυλό μήκους L και διαμέτρου D, κατακόρυφο ή οριζόντιο αντίστοιχα ισχύει: h vert = 0,943[ k 3 ]1/ 4 Lρ L ρ L ρ G gλ μ L L T sat T w και (7.2) h horiz [ = 0,725 k 3 ]1/ 4 Lρ L ρ L ρ G gλ μ L D T sat T w (7.3) Ο μέσος συντελεστής για συστοιχία αυλών παραμένει ο ίδιος εάν οι αυλοί είναι κατακόρυφοι, αλλά γίνεται h horiz =h horiz N s 1/ 6 (7.4) για οριζόντιους αυλούς διατεταγμένους σε N s σειρές κατά τη διεύθυνση της βαρύτητας, επειδή το συμπύκνωμα κάθε αυλού μεταφέρεται (και διασκορπίζεται) στους παρακάτω από αυτόν, μειώνοντας την απόδοσή τους. Οι εξισώσεις (2) και (3) μπορούν να πάρουν μία κοινή μορφή αν οριστεί η μαζική φόρτιση G' ανά αυλό και περίμετρο (ή εύρος). Έτσι, για κατακόρυφους αυλούς ισχύει G' = W/ N t π D και για οριζόντιους G' = W/ N t L, όπου N t είναι το συνολικό πλήθος αυλών. Χρησιμοποιώντας το θερμικό ισοζύγιο ανά αυλό Q = W N λ = hπdl T T sat w και αντικαθιστώντας στις εξισώσεις (2) και t (3) προκύπτει τελικά h 2 μ L k 3 L ρ L ρ L ρ g 1/3 G = 1,5 4G' 1/ 3 μ L = 1,5 Re 1/3 (7.5) (Οι ακριβείς αριθμητικοί συντελεστές είναι 1,47 και 1,51 για κατακόρυφο και οριζόντιο αυλό αντίστοιχα.) Το πλεονέκτημα της εξ. (5) είναι ότι, επειδή εκφράζεται συναρτήσει του αριθμού Re της ροής, μπορεί να ενσωματώσει εύκολα διορθώσεις λόγω κυματισμών στην ελεύθερη επιφάνεια και λόγω μετάπτωσης σε τύρβη. Τέτοιες σχέσεις δεν δίνονται εδώ, επειδή λόγω του σχετικά μικρού μήκους στη διεύθυνση ροής, ο υμένας του συμπυκνώματος είναι συνήθως σε στρωτή ροή. Θα δοθούν όμως παρακάτω, στους
εξατμιστήρες λεπτού υμένα, όπου ισχύει μία παρόμοια ανάλυση αλλά η ροή είναι συνήθως τυρβώδης. Η πτώση πίεσης από την πλευρά του κελύφους υπολογίζεται με συσχετίσεις διφασικής ροής, όπως για παράδειγμα τις σχέσεις Lockhart-Martinelli. Συνήθως απαιτείται ολοκλήρωση κατά μήκος της διαδρομής συμπύκνωσης, και χρησιμοποιείται ως ανεξάρτητη μεταβλητή η ποιότητα του μίγματος η οποία μεταβάλλεται περίπου γραμμικά με το μήκος. Σε πολύπλοκες ροές, όπως στο κέλυφος εναλλάκτη αυλών-κελύφους, μπορεί να γίνει προσεγγιστική ολοκλήρωση με βάση μέσες τιμές της ποιότητας. Συμπυκνωτής αυλών Όταν η συμπύκνωση γίνεται στο εσωτερικό κατακόρυφων αυλών, ισχύουν οι προηγούμενες συσχετίσεις για τον συντελεστή μεταφοράς. Σε επιμήκεις αυλούς υπάρχει ενδεχόμενο μετάπτωσης σε τύρβη εφόσον ο αριθμός Reynolds της εξ. (5) υπερβεί την τιμή 1400. Η συμπύκνωση στο εσωτερικό οριζόντιων αυλών δημιουργεί παχύ στρώμα συμπυκνώματος στο κάτω τμήμα του αυλού λόγω της επίδρασης της βαρύτητας. Έχει διαπιστωθεί εμπειρικά ότι ικανοποιητικά αποτελέσματα προκύπτουν από την εξ. (5) αν χρησιμοποιηθεί η διορθωμένη μαζική φόρτιση ανά αυλό και παράπλευρο μήκος G' = 2W/ N t L. Επειδή το συμπύκνωμα περιέχεται στον αυλό, δεν χρειάζεται διόρθωση του τύπου της εξ. (4). Η πτώση πίεσης υπολογίζεται όπως παραπάνω, ολοκληρώνοντας τις σχέσεις διφασικής ροής με ανεξάρτητη μεταβλητή την ποιότητα του μίγματος. Βελτιστοποίηση της πτώσης πίεσης έχει ιδιαίτερη σημασία στους συμπυκνωτές των κλιματιστικών μονάδων. Υποεκτίμηση της πτώσης πίεσης οδηγεί σε μεγαλύτερη της αναμενόμενης πτώση της θερμοκρασίας κορεσμού T sat κατά μήκος του εναλλάκτη, και συνεπώς σε επιδείνωση του βαθμού απόδοσής του. Αντίθετα, υπερεκτίμηση της πτώσης πίεσης οδηγεί σε μεγαλύτερο του αναγκαίου πλήθος αυλών. Σε όλους τους παραπάνω θερμικούς υπολογισμούς, οι θερμοφυσικές ιδιότητες του συμπυκνώματος λαμβάνονται στην μέση θερμοκρασία του υμένα T w T sat /2. Εφόσον το ψυκτικό μέσο παραλαμβάνει μόνον αισθητή θερμότητα (πχ νερό ψύξης), η θερμοκρασία του, T c, και συνεπώς και αυτή
του τοιχώματος, T w, μεταβάλλονται κατά μήκος του εναλλάκτη. Μία μέση τιμή θερμοκρασίας τοιχώματος μπορεί να εκτιμηθεί με βάση τους δύο συντελεστές σε σειρά, h και h c, από τη σχέση T w = T c h h c h T sat T c (7.6) Συμπύκνωση μιγμάτων - Καμπύλες θερμοκρασίας/θερμορροής...
8. ΒΡΑΣΤΗΡΕΣ ΚΑΙ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΕΣ Βασικοί μηχανισμοί και βιομηχανικές συσκευές Ατμός ενός πτητικού υγρού μπορεί να παράγεται για διαφορετικούς λόγους. Οι αναβραστήρες -συσκευές που αποτελούν βασικό εξάρτημα των στηλών κλασματικής απόσταξης- στοχεύουν σε μερική ατμοποίηση του υγρού στον πυθμένα της στήλης ώστε να τροφοδοτούνται με ατμό οι υπερκείμενοι δίσκοι. Σε πολλές περιπτώσεις απαιτείται υδρατμός σε καθορισμένη πίεση και θερμοκρασία ως μέσον μεταφοράς θερμότητας ή/και παραγωγής έργου. Οι συσκευές που τον παρέχουν χαρακτηρίζονται ως ατμολέβητες ή ατμοπαραγωγοί. Ο όρος εξατμιστήρες χρησιμοποιείται κυρίως για τις διεργασίες που επιδιώκουν στην πύκνωση ενός διαλύματος (αύξηση της συγκέντρωσης της διαλυμένης ουσίας) με απομάκρυνση του διαλύτη. Η πύκνωση του διαλύματος μπορεί να στοχεύει στην απόληψη της διαλυμένης ουσίας σε στερεά μορφή (κρυστάλλωση), αποτέλεσμα που επιτυγχάνεται με περαιτέρω εξάτμιση ή/και ψύξη του κορεσμένου διαλύματος. Αντίθετα, στην αφαλάτωση θαλασσινού ή υφάλμυρου νερού κύριο προϊόν είναι ο καθαρός ατμός, ο οποίος συμπυκνώνεται και μετατρέπεται σε πόσιμο νερό, ενώ το πυκνωμένο διάλυμα είναι απόβλητο. Οι μηχανισμοί του βρασμού και της εξάτμισης Παράλληλα με την ανωτέρω κατηγοριοποίηση που βασίζεται στην τεχνολογική εφαρμογή, έχει αξία να εντοπίσουμε τους βασικούς μηχανισμούς με τους οποίους λαμβάνει χώρα η αλλαγή φάσης στις συσκευές. Αν το υγρό που βράζει είναι μακροσκοπικά στάσιμο ή κινείται αργά, τότε ο βρασμός προχωρεί με έντονο σχηματισμό και αποκόλληση φυσαλίδων από την θερμή επιφάνεια (στάσιμος βρασμός με πυρηνογένεση, ή απλά βρασμός). Στις περισσότερες όμως περιπτώσεις το ρευστό έχει σημαντική ταχύτητα ροής, η οποία προέρχεται είτε από επιβολή διαφορικής πίεσης είτε -συχνότερα- από φυσική ανακυκλοφορία λόγω διαφοράς πυκνότητας. Στις
περιπτώσεις αυτές, ο βρασμός με πυρηνογένεση εξακολουθεί να αποτελεί τον κύριο μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας σε αρνητικές (υπόψυκτο) και χαμηλές θετικές τιμές της ποιότητας του ρευστού. Με την αύξηση της ποιότητας (δηλαδή του κλάσματος της μαζικής παροχής που είναι ατμός), ο βρασμός με πυρηνογένεση σταδιακά εξασθενεί, και αντικαθίσταται από εξαναγκασμένη συναγωγή διαμέσου ενός όλο και λεπτότερου στρώματος υγρού σε συνδυασμό με εξάτμιση από την διεπιφάνεια υγρού-ατμού. Τέλος, αν το υγρό εισάγεται με ειδική πρόνοια ώστε να ρέει με την βαρύτητα ως λεπτός υγρός υμένας (όπως συμβαίνει συχνά σε εξατμιστήρες), τότε η συναγωγή-εξάτμιση αποτελεί τον μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας σε όλο το μήκος της συσκευής. Τους ανωτέρω μηχανισμούς, τους οποίους σχηματικά θα αναφέρουμε ως "βρασμό" και "εξάτμιση", συναντούμε με διαφορετική βαρύτητα στις βιομηχανικές συσκευές. Αναβραστήρας τύπου λέβητα Ένας συνηθισμένος εναλλάκτης που λειτουργεί με βρασμό είναι ο αναβραστήρας τύπου λέβητα (kettle reboilers), παράδειγμα του οποίου δίνεται στο Σχήμα 1. Βασικό χαρακτηριστικό του αναβραστήρα λέβητα είναι η ύπαρξη διογκωμένου κελύφους, σε σχέση με το μέγεθος της δέσμης αυλών που παρέχει την θερμαντική επιφάνεια. Το κέλυφος λειτουργεί ταυτόχρονα ως δεξαμενή του υγρού που βράζει και ως διαχωριστής του παραγόμενου ατμού. Το ρεύμα εξόδου είναι μονοφασικό (ατμός) και το προϊόν πυθμένα της στήλης που τροφοδοτεί ο αναβραστήρας λαμβάνεται από την υπερχείλισή του (Σχήμα 1). Η ανάδευση του υγρού στον αναβραστήρα ενισχύεται λόγω της μικρής διαμέτρου της δέσμης αυλών σε σχέση με την διάμετρο του κελύφους. Σύμφωνα με το σκαρίφημα του Σχήματος 2α, διφασικό ρευστό κινείται κεντρικά προς τα πάνω λόγω άνωσης, ενώ καθαρό υγρό το αναπληρώνει κινούμενο περιμετρικά προς τα κάτω. Η ένταση αυτής της ανακυκλοφορίας εξαρτάται από την θερμορροή που μεταφέρεται στο ρευστό, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 2β. Ειδικότερα, αύξηση της θερμορροής οδηγεί αρχικά σε αύξηση της ανακυκλοφορίας, καθώς ενισχύεται η ωθούσα δύναμη της ροής που είναι η διαφορά πυκνότητας. Πέρα όμως από ένα όριο
παρατηρείται η αντίστροφη τάση, επειδή η έντονη παραγωγή ατμού αυξάνει δυσανάλογα την πτώση πίεσης του ανερχόμενου διφασικού ρευστού, και συνεπώς επιβραδύνει την ροή. Σχήμα 8.1: Αναβραστήρας στήλης απόσταξης τύπου λέβητα. Σχήμα 8.2: (α) Μορφή ανακυκλοφορίας, και (β) ένταση ανακυκλοφορίας ως σύνάρτηση της θερμορροής. Αναβραστήρες τύπου θερμοσίφωνα Διακρίνουμε την κατακόρυφη και οριζόντια διάταξη του εναλλάκτη. Στον κατακόρυφο θερμοσίφωνα (Σχήμα 3), το υγρό τροφοδοτείται στους αυλούς, όπου βράζει και ατμοποιείται μερικά. Το διφασικό μίγμα κινείται προς τα πάνω με φυσική ανακυκλοφορία λόγω της διαφοράς πυκνότητας σε σχέση με υγρό στην παρακείμενη στήλη. Η ένταση της ανακυκλοφορίας εξαρτάται
από την πτώση πίεσης, και για τον λόγο αυτό λαμβάνεται πρόνοια ώστε η πάνω κεφαλή του εναλλάκτη και ο αγωγός εξόδου του μίγματος να παρέχει την ελάχιστη δυνατή αντίσταση στη ροή. Σχήμα 8.3: Κατακόρυφος αναβραστήρας στήλης κλασματικής απόσταξης τύπου θερμοσίφωνα. Σχήμα 8.4: Οριζόντιος αναβραστήρας στήλης κλασματικής απόσταξης τύπου θερμοσίφωνα.
Στην οριζόντια διάταξη (Σχήμα 4), το προς ατμοποίηση υγρό τροφοδοτείται και βράζει στο κέλυφος του εναλλάκτη, το οποίο συνήθως είναι τύπου G, ή H όταν το μήκος των αυλών είναι μεγάλο, ή ακόμη και Χ ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες πίεσης. Ο οριζόντιος θερμοσίφωνας έχει χαρακτηριστικά φυσικής ανακυκλοφορίας παρόμοια με του αναβραστήρα τύπου λέβητα. Κοινό στοιχείο των αναβραστήρων τύπου θερμοσίφωνα είναι ότι το ρεύμα εξόδου είναι διφασικό (συνήθως χαμηλής ποιότητας) και ότι το προϊόν πυθμένα της στήλης προέρχεται από τον πυθμένα της στήλης και όχι από τον αναβραστήρα. Εξατμιστήρας τύπου καλαθιού Ο κλασσικός εξατμιστήρας τύπου καλαθιού (Σχήμα 5), και οι πλέον σύγχρονες παραλλαγές του, μοιάζουν στην λειτουργία με τον αναβραστήρα τύπου λέβητα. Αποτελούνται από ένα δοχείο/δεξαμενή του βραστού υγρού, που λειτουργεί ταυτόχρονα και ως διαχωριστής των ατμών. Το πυκνωμένο διάλυμα παροχετεύεται από τον πυθμένα του δοχείου και ο παραγόμενος ατμός από την κορυφή. Βασικό τμήμα του εξατμιστήρα καλαθιού αποτελεί το θερμαντικό στοιχείο. Στην κλασσική κατασκευή χρησιμοποιείται δέσμη αυλών η οποία στον κεντρικό άξονα έχει ένα μεγάλο διάκενο (downcomer). Το υγρό στο διάκενο δεν βράζει, καθώς δεν βρίσκεται σε επαφή με θερμαντική επιφάνεια, και συνεπώς παρέχει την υδροστατική πίεση για την ανάπτυξη φυσικής ανακυκλοφορίας. Σχήμα 8.5: Εξατμιστήρας τύπου καλαθιού, με θερμαντικό στοιχείο από δέσμη αυλών και κεντρικό αγωγό καθόδου.
Σε πλέον σύγχρονες παραλλαγές, η δέσμη αυλών αντικαθίσταται από σπειροειδή εναλλάκτη, η εναλλάκτη αυλών-πτερυγίων ή πλακών-πτερυγίων. Γενικότερα μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε τύπος εναλλάκτη, κατάλληλα απογυμνωμένος από κέλυφος ή/και τοιχώματα ώστε το βραστό υγρό να καταλαμβάνει την εξωτερική πλευρά του και το θερμαντικό μέσο να κυκλοφορεί στο εσωτερικό του. Βασικό χαρακτηριστικό του εξατμιστήρα τύπου καλαθιού είναι ότι λειτουργεί ως δοχείο πλήρους ανάμιξης, και συνεπώς ο χρόνος παραμονής του προς πύκνωση υγρού δεν είναι ομοιόμορφος. Αυτό μπορεί να αποτελεί μειονέκτημα στην περίπτωση τροφίμων που υποβαθμίζονται θερμικά. Εξατμιστήρας επιμήκων αυλών (έντονης ανακυκλοφορίας) Ο εξατμιστήρας επιμήκων αυλών βασίζεται στην έντονη ανακυκλοφορία του προς εξάτμιση διαλύματος στους αυλούς κατακόρυφου εναλλάκτη (Σχήμα 6). Το υγρό τροφοδοτείται είτε στην βάση είτε στην κορυφή του εναλλάκτη, και οι δύο φάσεις κινούνται σε ομορροή με υψηλές ταχύτητες λόγω φυσικής ή (συχνότερα) λόγω εξαναγκασμένης ανακυκλοφορίας. Η ποιότητα του μίγματος στην έξοδο διατηρείται αρκετά χαμηλή, οπότε ο βασικός μηχανισμός αλλαγής φάσης είναι ο βρασμός με πυρηνογένεση. Το διφασικό μίγμα τροφοδοτείται σε κατακόρυφο διαχωριστή φάσεων και το υγρό επιστρέφει στον εξατμιστήρα. Στην περίπτωση φυσικής ανακυκλοφορίας, ο Σχήμα 8.6: Εξατμιστήρας μακρών αυλών.
διαχωριστής είναι αρκετά υπερυψωμένος, ώστε η στήλη υγρού να συνεισφέρει την αναγκαία διαφορά πίεσης. Σε πλέον σύγχρονες εφαρμογές, ο εναλλάκτης αυλών-κελύφους μπορεί να αντικατασταθεί από συμπαγέστερη διάταξη, πχ εναλλάκτη πλακών-πλαισίου. Εξατμιστήρας κατερχόμενου υγρού υμένα Ο τύπος αυτός εξατμιστήρα βασίζεται στην δημιουργία ενός λεπτού και ομοιόμορφου στρώματος υγρού στο εσωτερικό κατακόρυφης δέσμης αυλών, στο κέλυφος της οποίας τροφοδοτείται το θερμαντικό μέσο (Σχήμα 7). Ο υγρός υμένας κινείται προς τα κάτω με την βαρύτητα. Ταυτόχρονα, λαμβάνει χώρα έντονη εξάτμιση από την διεπιφάνειά επειδή η θερμική αντίσταση αγωγής του υμένα είναι ελάχιστη λόγω του μικρού πάχους του, ενώ δεν αναπτύσσεται η αναγκαία υπερθέρμανση για βρασμό με πυρηνογένεση. Ο ατμός που παράγεται μπορεί να κινείται σε ομορρροή ή σε αντιρροή με το υγρό, οπότε διαχωρίζεται και εξέρχεται αντίστοιχα από τον πυθμένα ή την κορυφή. Στην δεύτερη περίπτωση, πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τον σχεδιασμό το ενδεχόμενο προσέγγισης στις συνθήκες πλημμύρισης. Βασικό πλεονέκτημα του εξατμιστήρα υγρού υμένα είναι ο μικρός (και σχετικά ομοιόμορφος) χρόνος παραμονής του υγρού, ιδιότητα που είναι επιθυμητή στην επεξεργασία θερμοευαίσθητων τροφίμων. Σχήμα 8.7: Εξατμιστήρας κατερχόμενου υγρού υμένα, με τον ατμό σε ομορροή.
Καθοριστικής σημασίας για την σωστή λειτουργία του εξατμιστήρα κατερχόμενου υμένα είναι η ισοκατανομή του υγρού μεταξύ των αυλών και η διαμόρφωση ομοιόμορφου περιμετρικά πάχους υμένα σε κάθε αυλό. Ως συνέπεια, λαμβάνεται ιδιαίτερη πρόνοια ώστε οι αυλοί να είναι κατακόρυφοι, και χρησιμοποιούνται ειδικές διατάξεις εισόδου του υγρού. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το δοχείο υπερχείλισης του Σχήματος 8. Σχήμα 8.8: Σύστημα τροφοδοσίας με υγρό στην κορυφή εξατμιστήρα κατερχόμενου υμένα. Θερμοϋδραυλικός σχεδιασμός Συσκευές που λειτουργούν με βρασμό Η διαδικασία σχεδιασμού βασίζεται στην επίτευξη ενός επιθυμητού ρυθμού ανακυκλοφορίας και στην αποφυγή πολύ υψηλής θερμικής υπερφόρτησης που θα οδηγούσε σε κρίση βρασμού. Τα βήματα υπολογισμού καταγράφονται στο Σχήμα 9. Ο υπολογισμός του συντελεστή μεταφοράς γίνεται με βάση τη συσχέτιση του Chen, η οποία αθροίζει τις συνεισφορές βρασμού και συναγωγής. Ο συντελεστής βρασμού, hnb, προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό του συντελεστή στάσιμου βρασμού, hpb, με τον παράγοντα μείωσής του λόγω ροής, S. Ο συντελεστής συναγωγής, hfc, υπολογίζεται με βάση την παράμετρο Lockhart-Martinelli και τον συντελεστή μονοφασικής συναγωγής, hsl, ο οποίος αντιστοιχεί μόνον στην υγρή φάση. Ειδικότερα, q = h ΔT, όπου h = h NB h FC, (8.1) h NB = S h PB, h FC = Fh SL (8.2)
ΕΠΙΛΟΓΗ ΡΥΘΜΟΥ ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ (προκαταρκτική διαμόρφωση εναλλάκτη) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ (έλεγχος κρίσιμων συνθηκών βρασμού) Δεν επαρκεί ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΤΩΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ (σύγκριση με διαθέσιμο μανομετρικό) Επαρκεί Σχήμα 8.9: Θερμοϋδραυλικός υπολογισμός συσκευής βρασμού. και οι συντελεστές S και F υπολογίζονται από τις σχέσεις F = 2,35 0,213 1 0,736 X 1, S = (8.3) 1 2,53 x10 6 Re 1,17 SL F 1,46 συναρτήσει της παραμέτρου Lockhart-Martinelli X = dp/dz SL dp/dz SG. Η πτώση πίεσης στο χώρο κίνησης του διφασικού ρευστού (αυλοί ή κέλυφος) υπολογίζεται κατά τα γνωστά για διφασική ροή, αθροίζοντας τις συνεισφορές των τριβών, της βαρύτητας και της επιτάχυνσης. Ειδικά για την έξοδο του διφασικού μίγματος από τον εναλλάκτη, είναι καλό να λαμβάνεται υπόψη η επιπλέον πτώση πίεσης λόγω συστολών, διαστολών και γωνιών. Προς το σκοπό αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι παρακάτω σχέσεις του ομογενούς μοντέλου p 2 p 1 = σ 1 σ G 2 1 ρ (απότομη διαστολή) (8.4α) p 1 p 2 = G 2 [ 2 2ρ 1 1 2 1 1 ] (απότομη συστολή) (8.4β) C con σ 2 p 1 p 2 = 0,15 G2 2ρ (γωνία 90 ο ) (8.4γ)
όπου G=ρu η μαζική ταχύτητα, Α το εμβαδόν της διατομής, σ = A 1 /Α 2 και οι δείκτες (1) και (2) αναφέρονται στις θέσεις ανάντη και κατάντη της μεταβολής. Η μέση πυκνότητα, ρ, και συντελεστής συστολής, Ccon, δίνονται αντίστοιχα από τις σχέσεις 1 ρ = x 1 x 1 και C ρ G ρ con = L 0,639[1 1/σ ] 1/ 2 1. (8.4δ) Συσκευές που λειτουργούν με εξάτμιση Η εξάτμιση από κατερχόμενο υγρό υμένα μπορεί να αναλυθεί τοπικά με την ίδια μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε στην συμπύκνωση Nusselt, δηλαδή θεωρώντας ως μόνη αντίσταση την αγωγή στον υμένα. Η κύρια διαφορά έγκειται στο ότι το πάχος του υμένα δεν μεταβάλλεται από μηδέν έως μία μέγιστη τιμή -όπως στην συμπύκνωση-, αλλά εξαρτάται από την παροχή υγρού στην είσοδο ( m 0 ) και στην έξοδο ( m Z ) του αυλού. Ετσι, η ολοκλήρωση κατά το μήκος Z του αυλού γίνεται διαφορετικά. Ειδικότερα, σε μία θέση όπου το πάχος του υμένα είναι δ και ο αριθμός Reynolds Re, η ισορροπία βαρυτικών και ιξωδών δυνάμεων δίνει το τελικό αποτέλεσμα Re = ρ L ρ L ρ G gδ3 3μ L 2 (8.5) Συνεπώς, ο τοπικός συντελεστής μεταφοράς h = k L /δ γίνεται L[ h = k ρ ρ ρ g ]1/ 3 L L G 3μ 2 L Re (8.6) Παρατηρήστε ότι, στη ροή υγρού υμένα πάνω σε αυλό (εσωτερικά ή εξωτερικά), ο αριθμός Reynolds υπολογίζεται από την μαζική παροχή υγρού, ṁ, και την εσωτερική διάμετρο του αυλού, D i, σύμφωνα με την σχέση Re = 4ṁ/πD i μ L. (8.7) Η εξίσωση (8.6) μπορεί να γραφεί σε αδιάστατη μορφή χρησιμοποιώντας τον ισοδύναμο αριθμό Nusselt, Nu'
Nu' = h [ 2 μ L k L ρ L ρ L ρ G g]1/3 ως Nu' = 1,1Re 1/ 3 (λείος στρωτός υμένας) (8.8α) Η σχέση αυτή έχει επεκταθεί εμπειρικά για τις περιπτώσεις στρωτού υμένα με κυματισμούς και τυρβώδους υμένα ως εξής: Nu' = 0,82Re 0,22 (στρωτός υμένας με κυματισμούς) (8.8β) Nu' = 0,0038 Re 0,4 Pr L 0,65 (τυρβώδης υμένας) (8.8γ) Η μετάπτωση σε τυρβώδη ροή προβλέπεται σε αριθμό Re=5800 /Pr 1,06 L. (Στην εξάτμιση υγρού υμένα, η ροή είναι πολύ συχνά τυρβώδης.) Η ολοκλήρωση κατά μήκος του εναλλάκτη γίνεται χρησιμοποιώντας τον μέσο συντελεστή μεταφοράς, h. Με ισοζύγιο ενέργειας σε όλο το μήκος του αυλού, και χρήση του ορισμού του αριθμού Re (εξίσωση 7) προκύπτει Q = h πdζ T Re w T sat = m 0 m Z λ = πdμ 0 Re Z L 4 h = μ L λ Re 0 Re Z 4 T w T sat Ζ (8.9) Παρόμοιο ισοζύγιο ενέργειας μπορεί να γραφεί για τον τοπικό συντελεστή μεταφοράς και για διαφορικό μήκος αυλού, dz, και δίνει dz = μ L λ d Re 4 T w T sat h (8.10) Χρησιμοποιώντας για τον τοπικό συντελεστή τον γενικευμένο τύπο m[ h = A Re n Pr k 3 ]1/ 3 Lρ L ρ L ρ G g 2 μ L ο οποίος περιγράφει όλες τις εναλλακτικές περιπτώσεις της εξίσωσης (8.8), ολοκληρώνοντας ως προς Re και συνδυάζοντας με την εξίσωση (8.9), προκύπτει το τελικό αποτέλεσμα
[ μ L λ Ζ][ 3 2 m μ L A 1 n Pr = 4 T w T sat k 3 L ρ L ρ L ρ G g]1/ Re 1 n 1 n 0 Re Z (8.11) Η εξίσωση (11) χρησιμεύει για τον υπολογισμό της υγρής παροχής στην έξοδο, ReZ, και συνεπώς του ποσοστού της τροφοδοσίας που εξατμίζεται. Εξοικονόμηση ενέργειας σε διεργασίες εξάτμισης Ανασυμπίεση ατμού Επειδή η διεργασία εξάτμισης είναι εξαιρετικά ενεργοβόρα λόγω της υψηλής ενθαλπίας εξάτμισης του υδρατμού σε χαμηλές πιέσεις, βασική επιδίωξη αποτελεί η εξοικονόμηση ενέργειας. Ένας τρόπος να επιτευχθεί ενεργειακή οικονομία είναι η επανατροφοδότηση του ατμού που παράγεται στο θερμαντικό στοιχείο. Αυτό προφανώς απαιτεί αύξηση της πίεσής του, ώστε η θερμοκρασία συμπύκνωσης να γίνει αισθητά υψηλότερη από το σημείο βρασμού του προς εξάτμιση διαλύματος. Η αύξηση της πίεσης μπορεί να επιτευχθεί είτε μηχανικά, με συμπιεστή/φυσητήρα (Σχήμα 10α) είτε θερμικά με τζιφάρι. Στην δεύτερη περίπτωση αποφεύγονται τα κινούμενα μέρη, και η αύξηση της πίεσης επιτυγχάνεται με χρήση μικρής παροχής ατμού υψηλής πίεσης (Σχήμα 10β). Ο ατμός αυτός αποκτά υψηλή ταχύτητα με διέλευση μέσω υπερηχητικού ακροφυσίου venturi. Στη συνέχεια τροφοδοτείται σε δεύτερο ακροφύσιο, στη στένωση του οποίου αναρροφά και επιταχύνει τον ατμό του εξατμιστήρα. Στην έξοδο του δεύτερου ακροφυσίου η κινητική ενέργει μετατρέπεται σε πίεση λόγω του φαινομένου Bernoulli. Εξατμιστήρες πολλαπλών βαθμίδων Μία ευρύτατα διαδεδομένη επιλογή εξοικονόμησης ενέργειας είναι η λειτουργία περισσότερων του ενός εξατμιστήρων σε σειρά (βαθμίδες), και η χρησιμοποίηση του ατμού που παράγεται σε κάθε βαθμίδα ως θερμαντικού μέσου της επόμενης (Σχήμα 11). Αυτό απαιτεί κάθε βαθμίδα να λειτουργεί σε χαμηλότερη πίεση από την προηγούμενη (P1>P2>P3), και επιτυγχάνεται με συμπύκνωση του ατμού της τελευταίας βαθμίδας και δημιουργία κενού.
Σχήμα 8.10: (α) Μηχανική ανασυμπίεση ατμού εξατμιστήρα. (β) Τζιφάρι ανασυμπίεσης. Α: Είσοδος ατμού υψηλής πίεσης. Β: Αναρρόφηση από τον εξατμιστήρα. C: Ρεύμα ανασυμπιεσμένου ατμού. Συνηθισμένη παραλλαγή είναι η κίνηση ατμού και πυκνωμένου διαλύματος σε ομορροή, όπως παρουσίαζεται στο Σχήμα 11. Στην περίπτωση αυτή δεν απαιτείται άντληση του διαλύματος μεταξύ των βαθμίδων, επειδή αξιοποιείται η διαφορά στην πίεση λειτουργίας τους. Άλλη επιλογή είναι η κίνηση διαλύματος και ατμού σε αντιρροή, δηλαδή η είσοδος της τροφοδοσίας στην τελευταία βαθμίδα. Αυτή η επιλογή απαιτεί άντληση του διαλύματος, αλλά μπορεί να προτιμηθεί όταν η τροφοδοσία είναι ψυχρή ή όταν παρατηρείται σημαντική ανύψωση του σημείου βρασμού με την πύκνωση του διαλύματος. προς συμπυκνωτή P 1 P 2 P 3 Σχήμα 8.11: Εξατμιστήρας τριών βαθμίδων σε ομορροή.