TEPELN

1
TEPELNÁ ZARÍZENÍ
TZ6
Odparování a Odparky
Odparky a krystalizátory. Konstrukcní usporádání
(periodické, cirkulacní, filmové). Vícestupnové
odparky, rekomprese brýdových par.
Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské
techniky CVUT FS 2010 V prezentaci jsou použity
podkladové materiály firem GEA a Alfa Laval.
2
Kondenzace
TZ6
Velmi vysoké soucinitele ? (až 20000 W/m2K), ale
je treba speciální úprava povrchu (nesmácivost)
Kapicková kondenzace
Filmová kondenzace
Nusseltuv vztah - ? klesá s délkou filmu
L
3
Var
TZ6
To je tzv. Nukyamova krivka závislosti hustoty
tepelného toku na prehrátí teplosmenné plochy
Krize varu pri prekrocení kritické teploty
prehrátí. Bublinkový var ztrácí stabilitu.
Odparky by mely pracovat ve stabilní oblasti B-C
Var v objemu
.
Výpocet varu v rubce je mnohem složitejší než u
varu v objemu. Je to patrné i z toho, jak se
režim varu podél trubky mení.
Var v trubce
4
Odparky
TZ6
Teleso odparky (kaladria)
Brýdové páry (brüden)
Odparování (objemový nebo konvektivní var)
Topná pára
Rídký roztok
Kondenzace syté páry
Zahuštený roztok (koncentrát)
kondenzát
Minton P.E. Handbook of evaporation technology.
Noyes Publ., New Jersey, 1986
5
Odparky bilance (hmotnostní a entalpické)
TZ6
Brýdové páry W (kg/s) Tw (0C)
Rídký roztok (feed) mf (kg/s) hf (J/kg)
?f (hmotnostní zlomek)
Topná pára D (kg/s) hD (J/kg) TD (0C)
kS
Zahuštený roztok mc hc ?c
U odparek predpokládáme, že v brýdách není
rozpuštená látka (to je rozdíl proti destilaci)
Kondenzát hC (J/kg)
Hmotnostní bilance
Entalpické bilance
1.stupen
2.stupen
6
Odparky jednostupnové
TZ6
Inerty (vzduch) se do systému, který pracuje za
podtlaku, dostanou vždy a výrazne zhoršují prenos
tepla na teplosmenné ploše (u teplosmenné
kondenzacní plochy se vytvárí izolující vrstva
inertu). Tyto nekondenzující plyny je treba
odstranit vývevou (vodokružnou, ejektorovou). I
kondenzátním potrubím protéká dvoufázová smes a
proto i sem se zarazuje separátor plynu.
Recirkulace je nutná u odparek s krátkými dobami
zdržení (malým objemem zahuštovaného roztoku v
telese odparky, filmové a deskové odparky),
protože pri kolísání prutoku hrozí nebezpecí
úplného odparení na cásti teplosmenné plochy
jehož dusledkem je tvorba inkrustací. Recyklem je
možné udržet prutok tak, aby k foulingu
nedocházelo. Jako nouzové bezpecností opatrení
muže být použit i nástrik kondenzátu. Na druhé
strane je fakt, že recykl zhoršuje
charakteristiky rozložení dob prodlení
zpracovávané látky, cást nástriku se nekolikrát
vrací a materiál je vystaven mnohonásobne delší
teplotní expozici, což muže být na závadu pri
zahuštování termolabilních materiálu (zpravidla
potravinárských látek).
7
Odparky vícestupnové
TZ6
Odparka se dvema efekty (výparné teplo brýdových
par se využije pro topení následujícího telesa)
T1
T2
Protiproud Nástrik s nízkou viskozitou je veden
do druhého stupne pri nižší teplote (což je
výhodné z hlediska prenosu tepla)
T1gtT2 tudíž p1gtp2 a je nutné cerpadlo
T1
T2
Souproud Vysoká viskozita pri nižší teplote varu
(z hlediska ? nevýhodné, ale teplotne citlivým
produktum muže pri vysoké koncentraci vysoká
teplota vadit)
8
Odparky vícestupnové
TZ6
Kdyby byla teplota varu ve všech stupních odparky
stejná a kdyby nebyly tepelné ztráty stacilo by u
N-stupnové odparky na odparení 1 kg vody pouze
1/N kg páry. V reálné situaci je to ponekud více
Pocet efektu 1 2 3 4 5
kg páry/kg odparené vody 1,1 0,6 0,4 0,3 0,25
Príklad jednostupnová odparka prutok topné páry
D, prutok brýdové páry W, nástrik pri teplote
varu. Z entalpické bilance (pri zanedbání
tepelných ztrát) a pro teplotu kondenzující páry
1000C a brýdy 500C plyne
9
Odparky vícestupnové
TZ6
Pocet efektu je omezen rozsahem teplot (teplotami
varu v prvním clenu kaskády efektu a teplotou v
kondenzátoru)
T1 gt T2 gt T3
T1-T2 ?THE ?Tpch ?T?p
Pokles teploty odpovídající tlakové ztráte (trecí
ztráty). Obvykle málo 10C
Teplotní diference na teplosmenné ploše
(šplhající filmgt100C, klesající film gt40C)
Fyzikálne chemické zvýšení bodu varu (roztok vre
pri vyšší teplote než je teplota par). Závisí na
koncentraci
?Tpch
Cukr 0.53
NaCl 10
NaOH 16
10
Odparky vícestupnové
TZ6
Rozlišuje se pocet efektu a pocet stupnu.
Následující usporádání má 3 efekty stejne jako
predchozí, ale 4 stupne (rídký roztok prochází
postupne telesy 4,3,2,1 a zahuštuje se)
11
Odparky s tepelným cerpadlem
TZ6
Místo vodní páry se muže topit chladivem v obehu
tepelného cerpadla
Príklad odparky EVALED typ E (nucená cirkulace),
typ R (stíraný film)
12
Odparky s rekompresí brýd
TZ6
TVR (Thermal Vapor Recompression) odparky s
termokompresorem
Úcinnost termokompresoru je dost nízká a
termokompresor se nedá dost dobre regulovat. Ale
nejsou tam žádné pohyblivé cásti.
Asi nejvhodnejší literatura pro potrebu
navrhování TVR je monografie Power R. Steam jet
ejectors for the process industries. Mac Graw
Hill, New York, 1994
13
Odparky s rekompresí brýd
TZ6
MVR (Mechanical Vapor Recompression) odparky s
mechanickým kompresorem
Odstredivý nebo Rootsuv kompresor (kompresní
pomer typicky 1.8). Pred kompresorem musí být
demister. Prehrátou páru je treba prevést na
sytou nástrikem kondenzátu.
14
Porovnání odparek
TZ6
15
Typy odparek
TZ6
Odparky

• s prirozenou cirkulací (var v krátkých trubkách)
• s nucenou cirkulací
• se šplhajícím filmem - Kestner (var v dlouhých
  trubkách)
• s klesajícím filmem Wiegand
• deskové
• se stíraným filmem Luwa
• odstredivé Centritherm Alfa Laval

16
Var v krátkých trubkách
TZ6
V krátkých trubkách (L/Dlt50) dominuje bublinkový
var. Bublinky zajištují prirozenou cirkulaci
postupne zahuštovaného roztoku.
17
Var v krátkých trubkách (L/D lt 50)
TZ6
Jaký je to typ odparky?
V telese odparky je velký objem zahuštovaného
roztoku tudíž jsou dlouhé strední doby zdržení.
Na druhé strane je odparka necitlivá na fluktuace
koncentrací rídkého roztoku a je pomerne odolná
vuci foulingu. Prirozená cirkulace omezuje
aplikace na menší viskozity (lt50 mPa.s).
Robertova odparka
V tomto clánku je popsána dvouefektová odparka
(první efekt odparka s klesajícím filmem a ve
druhém efektu 3 paralelní Robertovy odparky).
Clánek je zameren na fouling (model Kern Seaton)
Jorge, L.M.M., Righetto, A.R., Polli, P.A.,
Santos, O.A.A., Filho, R.M., Simulation and
analysis of a sugarcane juice evaporation system,
Journal of Food Engineering (2010), doi
10.1016/j.jfoodeng.2010.03.017
18
Vysunutá topná soustava
TZ6
Odparky s vysunutou topnou soustavou (príklad
Vogelbusch). Varné trubky jsou mimo, což
usnadnuje cištení. Trubky jsou sklonené (30 až
450) aby mohly být dost dlouhé a soucasne se
nezvyšoval hydrostatický tlak na jejich vstupu (a
nepotlacoval se tak var). Cirkulace je
stimulována nástrikem rídkého roztoku. Kondenzát
topné páry je využit pro predehrev.
19
Nucená cirkulace (odparky s potlaceným bodem varu)
TZ6
GEA-Wiegand
Odparky s potlaceným varem (expanzní odparky)
jsou zdánlive podobné odparkám s vysunutou topnou
soustavou, ale ve výmeníku, kde je úmyslne
udržován vyšší tlak, k varu nedochází (výmeník je
nízko, tlak je zvyšován i škrcením na výstupu
perforované desky). K rychlému odparení (flash
evaporation) dochází až pri náhlém snížení tlaku
na výstupu. K dosažení pretlaku je nutné obehové
cerpadlo (odstredivé nebo objemové u extrémne
vazkých kapalin). Vysoký prutok snižuje fouling a
zvyšuje prestup tepla ve výmeníku.
20
Odparky se šplhajícím filmem
TZ6
Kestnerova odparka s extrémne dlouhými trubkami
(cca 12 m) a vysokou rychlostí tenkého filmu
kapaliny (až 20 m/s). Film šplhá po stene trubek
hnán brýdovou párou, která proudí centrem trubek
rychlostí až 100 m/s. Trubky jsou zaplaveny do
cca 1/4 až 1/5 výšky trubek. Odparka je vhodná
pro málo vazké a penivé roztoky. Nevýhodou je
vysoký rozdíl teplot mezi topnou párou a roztokem
(?Tgt140C). Navíc jsou teploty varu omezené tlakem
brýdových par, který nesmí být moc nízký (brýdy
by pak nemely dostatecnou energii pro pohon
filmu). Odparka je citlivá na zmeny provozních
podmínek (pri malém prutoku hrozí úplné odparení
filmu a zanesení trubek krize varu druhého
druhu).
Luopeng Yang, Xue Chen, Shengqiang Shen
Heat-transfer characteristics of climbing film
evaporation in a vertical tube. Experimental
Thermal and Fluid Science, Volume 34, Issue 6,
September 2010, Pages 753-759
21
Odparky se šplhajícím filmem
TZ6
Pro výpocet odparky se šplhajícím filmem byl na
našem ústavu vyvinut jednoduchý Excelovský
program.
22
Odparky s klesajícím filmem
TZ6
Odparka s klesajícím filmem (Wiegand) vystací s
nižšími teplotami páry (?Tgt20C) a je vhodná i pro
viskóznejší kapaliny (maximálne 0,1 až 0,5 Pa.s)
a nižší tlaky strední doby zdržení jsou delší
než u odparek se šplhajícím filmem, cca 15 až 60
s. Délka trubek je až 14 m, prumer cca 50 mm.
Pro nástrik rídkého roztoku (shora) se používají
perforované desky, speciální rozprašovací trysky
(dynamický distribucní systém) nebo proste
vysouvání trubek nad hladinu. U dynamické
distribuce musí být rídký roztok prehrátý (flash)
aby se vytvorila homogenní smes kapek a páry.
GEA-Wiegand
K tomu aby odparka fungovala správne (aby se
vytvoril rovnomerný film a pokryla se celá
teplosmenná plocha trubek) nesmí rychlost
klesající filmu klesnout pod mez danou nerovností
(WeWeberovo císlo)
Tím je vlastne daná minimální tlouštka filmu ? a
tedy i soucinitel prenosu tepla ??/?
23
Deskové odparky
TZ6
Deskové odparky jsou prostorove výhodnejší a
lacinejší než trubkové, jsou snadno cistitelné a
prosazují se zejmena v potravinárském prumyslu
(mlékárenském, cukrovarnickém). Nekteré deskové
odparky (APV Paravap) dokáží díky speciálnímu
tvarování desek odparovat i pomerne
vysokoviskózní cukrové roztoky, škrobové sirupy,
atd (viskozita až 30 Pas, prechod do turbulence
už pri Re?100 !). Deskové odparky se casto
používají jako posilovace (boostery) vetších,
napríklad Robertsových, odparek (seriové nebo
paralelní zapojení, viz následující snímek).
brýda
Cyklonový separátor
Predseparátor, casto jen T-kus
Deskové kazety
Topná pára shora
Kondenzát je dvoufázová smes a proto i zde se
použije separátor
koncentrát
koncentrát
kondenzát
Rídký roztok (feed)
C. R. F. Pacheco, L. S. M. Frioni Experimental
results for evaporation of sucrose solution using
a climbing/falling film plate evaporator Journal
of Food Engineering, Volume 64, Issue 4, October
2004, Pages 471-480
24
Deskové odparky Booster Robertovy odparky (?
Laval)
TZ6
T-kus funguje jako odlucovac. Oddelí se v nem až
95 kapalné fáze. Zbytek se odloucí v separátoru
Robertovy odparky.
Expanzní nádoba (predodparka). Produkt odchází z
telesa odparky na teplote varu. Vlivem tlakových
ztrát (ventil) se roztok stává prehrátým a zacne
se odparovat. Predcasná expanze zhoršuje podmínky
nátoku do deskové odparky. Výška expanzní nádoby
musí být dostatecná, aby nebylo nutné cerpadlo.
Regulace expanzního tlaku . Mel by být mírne
vyšší než tlak v následujícím odlucovaci.
Robert
Robert
Desková odparka
Prutok je regulován na základe hladiny v
Robertove odparce. Ventil musí být dostatecne
nízko aby nedocházelo k odparování (tok ve
ventilu by mel být jednofázový)
Separátor inertu (nekondenzujících plynu)
Sborník kondenzátu jednotlivých stupnu
Tento ventil slouží jen pro rozbeh odparky, kdy
jsou rozdíly teplot a tlaku ve stupních odparek
malé.
25
Deskové odparky (klesající film GEA)
TZ6
Deskové odparky firmy GEA s klesajícím filmem
EVAPplus pro zahuštování cukerných roztoku (je
možný i retrofit Robertových odparek). Svarované
desky mají v podstate rovné vertikální kanály pro
stékající film cukrové štávy. Cištení CIP 1)
NaOH 2) HCOOH pri 1000C, 3) neutralizace
26
Deskové odparky (šplhající film GEA)
TZ6
Deskové odparky firmy GEA se šplhajícím filmem
Concitherm CT 193. Jsou použity svarované desky
pro topnou páru (dvojice desek tvorí kazetu,
témer stejné rešení má GEA i Alfa Laval), tesnené
desky pro zahuštovaný roztok (možnost cištení).
27
Odparky se stíraným filmem (rotorové)
TZ6
Pro nehomogenní nebo extrémne viskozní kapaliny
(s viskozitou až 50 Pas) sa používají filmové
odparky s mechanicky stíraným filmem (rotorové
filmové odparky). Müllerova odparka má rovné
rotující lopatky, s fixní vzáloností od steny
(0,5 až 3 mm) obvodová rychlost lopatiek je 10 -
15 m/s. Odparka Sambay má výkyvné lopatky tlacené
ke stene odstredivou silou. Obvodové rychlosti
lopatek bývají menší, 3 - 4 m/s. Odparky s
výkyvnými lopatkami nebo pružnými sterkami
umožnují zpracování viskoznejších roztoku než s
pevnými lopatkami. Odparky POPE Scientific mají
šikmé drážky zajištující presný axiální transport
zahuštované látky a tedy doby zdržení rízené
otáckami rotoru. Zajímavé rešení predstavuje
horizontální odparka SAKO s pevnými lopatkami v
mírne kuželovém plášti axiálním posuvem rotoru
se vymezuje šterbina mezi lopatkami a pláštem a
doby zdržení. Obecne platí, že horizontální
odparky mívají stabilnejší film a doby zdržení
nejsou tak citlivé na viskozitu kapaliny. Pro
odparování pri extrémne nízkých tlacích (lt150 Pa)
sa navrhují rotorové odparky s kondenzátorem,
který je integrální cástí odparovacího telesa což
minimalizuje vzdálenost cesty molekuly z povrchu
vroucího filmu ke kondenzátoru.
Sambay
Müller
POPE
28
Odparky odstredivé
TZ6
Mezi nejlepší odparky patrí odstredivé odparky
Centritherm fy. Alfa Laval, viz obr. Odstredivá
sila pohání nejen zahuštovaný roztok (strední
doba zdržení 5 s), ale predevším parní bubliny
(vypuzované proti smeru odstredivé síly), címž se
zintenzívnuje var. Odstredivá síla však zlepšuje
i kondenzaci na strane topné páry, protože
vyvolává kapkovou kondenzaci s vysokými hodnotami
?, cca 170000 Wm-2K-1 (kapky drív než splynou do
souvislého filmu jsou odtrženy od teplosmenné
plochy). Je treba si uvedomit, že var se
zintenzivnuje vždy na vnitrní, zatímco kondenzace
na vnejší ploše! Princíp intenzifikace varu
roztoku rotujícího filmu konec koncu využívají i
rotorové filmové odparky.
CENTRITHERM ALFA LAVAL
29
Odparky se spirálovými trubkami
TZ6
30
Odparky s fluidním ložem
TZ6

• Aplikace na odsolování morské vody
• Dick G. Klaren and Eric F. de Boer
  Multi-Stage-Flash / Fluidised Bed Evaporator
  Resurrection in Thermal Seawater Desalination?
  CaribDA Conference, Grand Cayman, 2010
• Fluidní lože ve všech vertikálních trubkách
  kondenzátoru se sklenenými kulickami (2mm)
• Vysoký soucinitel prenosu tepla 2500 W/m2K
• Nízká rychlost kapaliny 0.12 m/s
• Nízký fouling

Odparka funguje jako protiproudý výmeník tepla
chladná slaná voda tece trubkami s výplní kulicek
nahoru. Brýda tekoucí dolu na povrchu trubek
kondenzuje
Investigation of flow boiling in circulating
three-phase fluidised bed Part II Theoretical
correlation Michael Arumemi-Ikhidea, Khellil
Sefiane, a, , Gail Duursmaa and Donald Glassa
31
Porovnání odparek
TZ6
Typ odparky ? (Pas) stupen zahuštení sklon k foulingu doba zdržení ?T
Prirozená cirkulace 0,05 malý?velký velký velmi dlouhá 600 s
Nucená cirkulace 1 malý?velký nižší velmi dlouhá
šplhající film 0,5 malý?velký velký vemi krátká 3 - 10 s 15
klesající film 0,1 malý strední krátká 15 - 60 s 5
rotorové 10 až 100 velký malý variabilní 5 - 3000 s
expanzní 0,01 malý?strední malý krátká?dlouhá
32
Optimalizace Odparky
TZ6
Tansey
33
Optimalizace Odparky
TZ6
Dvoustupnová odparka
Co je zadané (predpokládá se, že teplota TII je
dána teplotou kondenzátoru a je stejná jako
teplota vroucího roztoku i koncentrátu) Tf mf ?f
teplota, hmotnostní prutok a zlomek
nástriku TII ?c teplota a hmotnostní zlomek
produktu TS teplota topné páry
Co je treba urcit (9 parametru) D,WI,WII
hmotnostní prutok topné páry a brýd m1,mc
hmotnostní prutoky roztoku z 1. a 2. stupne ?1-
hmotnostní zlomek cástecne zahušteného roztoku
TI teplota varu a brýd v prvním stupni kISI,
kIISII- teplosmenné plochy (x soucinitel prostupu
tepla)
Je pouze 8 rovnic pro 9 parametru jeden z nich
lze volit (napr. teplotu varu v prvním stupni
TI). Tento stupen volnosti muže být využit pro
optimalizaci (napr. velikosti teplosmenné plochy
nebo minimalizaci spotreby páry).
34
Optimalizace Odparky
TZ6
Návrh dvoustupnové souproudé odparky
implementovaný jako Excelovský program
Zadej teplotu topné páry a parametry nástriku
Zvol teplotu brýdy v 1.stupni TI
Vyber rozpuštenou látku (ovlivnení zvýšení bodu
varu roztoku)
CALC startuje výpocet
Výsledkem bude teplosmenná plocha
35
Odparky clánky
TZ6
Al- Sahali, M., Ettouney, H. Developments in
thermal desalination processes Design,energy,
and costing aspects. Desalination, Kuwait, 2006,
pp. 227-240.
36
Odparky príklady aplikací
TZ6
Vermeer
37
BAT EVALEDTM TC,MVR
Odparky príklady aplikací
TZ6
38
BAT zahuštování mléka GEA Niro
Odparky príklady aplikací
TZ6
39
Odparky príklady aplikací (GEA)
TZ6
Zahuštování jablecné štávy
40
Odparky príklady aplikací (GEA)
TZ6
Nealkoholické pivo
41
Odparky príklady aplikací (GEA)
TZ6
Výroba piva zahuštování extraktu
42
Odparky príklady aplikací (GEA)
TZ6
Zahuštování dextrozy (škrobárenství)
43
Odparky príklady aplikací (GEA)
TZ6
Výroba škrobu zahuštování bramborové škrobové
vody