2.3.10　真空泵的计算及选型

真空泵在蒸发器中的作用是从冷凝器中抽出不凝性气体维持系统的真空度,使蒸发器在真空减压状态下工作,有利于提高食品质量。目前应用最普遍的是水环式真空泵。

蒸发器多采用间接式(或混合式)冷凝器与水环真空泵并用,将二次蒸汽冷凝成凝结水同时抽除不凝性气体,保持蒸发系统的真空度。在蒸发器中用真空泵使系统成为负压,真空泵的吸气量是依据经验数值来确定的,真空泵吸气量(kg/h)为

G=G₁+G₂+G₃+G₄

(1)G₁值的确定

G₁是真空系统渗漏的空气量,可根据真空系统中设备和管道的容积V₁按图2⁃33查出空气最大渗漏量G_a,取G₁=2G_a。

图2⁃33　系统容积与空气最大渗漏量

(2)G₂值的确定

G₂是蒸发过程中料液释放的不凝性气体量,一般很小,可以忽略,即G₂=0。

(3)G₃值的确定

G₃是直接式冷凝器冷却水释放溶解空气量,如图2⁃34所示。

G₃=G_b

式中　G_b——真空系统抽出的不凝气体量,kg/m3,G_b=V_a+V_b+V_c;

γ_t——温度t下饱和蒸汽的密度,kg/m3;

γ₀——0℃、绝对压力0.1MPa不凝气体的密度,kg/m3;

h——真空泵吸入口的真空度,Pa;

p_t——温度t下的饱和蒸汽绝对压力,Pa;

t——真空泵吸入口的气体温度,℃,t=t_w+5℃;

t_w——冷却水进口温度,℃。

如果蒸汽冷凝采用的是间接式表面冷凝器时,G₃=0。水中溶解的空气量在标准大气压下随水温升高而减小,不同温度下水中放出的空气量可由图2⁃34查得。

图2⁃34　不同温度下水中放出的空气量

(4)G₄值的确定

G₄是未冷凝的蒸汽量,取决于冷凝效果,冷凝效果差这部分气体所占比例就大,正常情况下,采用经验值,G₄=(0.2%~1%)G_p(G_p为每小时进入冷凝器的蒸汽量)。

真空泵吸气为混合气体(由溶剂蒸汽和不凝性气体组成),在标准状况下,密度按下式计算:

ρ=p₀M/(8.315T)

式中　ρ——在标准状况下混合气体密度,kg/m3;

p₀——在标准状况下的大气压,kPa;

M——摩尔质量,kg/mol;

T——热力学温度,K。

摩尔质量M按摩尔质量分数计算,即

Y₁=G₄/18　Y₂=G₁/28.95

M=18Y₁/(Y₁+Y₂)+28.95Y₂/(Y₁+Y₂)

真空泵吸气量应换算成真空泵吸入状态的体积,其体积按下式计算:

V=(G/ρ)[(273+t)p₀/(273p)]

式中　V——真空泵每小时吸气量,m3/h;

p——真空泵吸入压力,MPa;

t——真空泵吸入状态温度(取冷凝状态温度),℃。

【例2⁃11】　近年来,在蒸发器系统中普遍采用水环真空泵抽真空维持蒸发系统的真空度,保持料液在低沸点蒸发。在实际应用中,一些蒸发器真空泵选用得不尽合理,要么偏大,要么偏小:偏大不够经济,浪费能源;偏小则蒸发系统真空度低,影响蒸发器的蒸发量。因此,真空泵选择得是否合理关系到蒸发系统真空度的高低,即蒸发效果,也关系到是否节约能源。仅以RNJM03⁃3600型三效降膜式蒸发器在奶粉生产中的应用为例(图2⁃35),对真空泵的吸气量进行计算并选择真空泵。

图2⁃35　RNJM03⁃3600型三效降膜式蒸发器

1-保持管;2-杀菌器;3-一效蒸发器;4-热泵;5-分离器;6-二效蒸发器;7-三效蒸发器;8-预热器;9-冷凝器;10-平衡缸;11-物料泵;12-真空泵

(1)主要技术参数

物料介质:牛奶　　　　　　　冷却水进入温度:20℃

生产能力:3600kg/h　　　　　冷却水排出温度:38℃

进料质量分数:11.5%　　　　冷却水耗量:31t/h

出料质量分数:45%　　　　　装机容量:35.5kW

冷凝器换热面积:38.99m2　　各效热量及蒸发量分配见表2⁃7(不计管道温度损失)

表2⁃7　各效热量及蒸发量分配

(2)真空泵吸气量的理论计算过程

本例V₁=13.872m3,末效分离器绝对压力为0.009771MPa,查图2⁃33得G_a=4kg/h,则G₁=2G_a=2×4=8(kg/h);G₂=0本例采用的是列管间壁式冷凝器,故G₃=0;本例进入冷凝器蒸汽量为565.26kg/h,则G₄=(0.2%~1%)G_p=1%×565.26=5.65(kg/h)。则真空泵的吸气量为G=G₁+G₂+G₃+G₄=8+0+0+5.65=13.65(kg/h)。

摩尔质量M按摩尔质量分数计算,即Y₁=5.65/18=0.3139,Y₂=8/28.95=0.2763,则M₁=18×(0.3139/0.5902)=9.573(kg/mol),M₂=28.95×(0.2763/0.5902)=13.553(kg/mol),M=M₁+M₂=9.573+13.553=23.126(kg/mol),故ρ=p₀M/(8.315T)=101.3×23.126/(8.315×273)=1.032(kg/m3),则V=(G/ρ)[(273+t)p₀/(273p)]=(13.65/1.032)×[(273+45)×0.1013/(273×0.009771)]=159.73(m3/h)。

选择真空泵时,实际吸气量应大于上述计算值,一般按1.25~1.5倍计算值选取比较合适。本例按1.5倍计算值选取。因此,真空泵实际吸气量为V’=1.5V=1.5×159.73=239.59(m3/h)。可依据此计算值查相关产品样本选择真空泵实际型号。

真空泵吸气量及型号的确定直接关系到蒸发器工作运行状态。真空泵选择过小就会导致蒸发器蒸发温度升高,严重时还会影响蒸发量;选择过大则不节能。因此,要选择出合适的真空泵必须根据蒸发器的大小及相关参数进行上述理论计算,根据计算出真空泵实际的理论吸气量选择真空泵,这样才会使蒸发器蒸发系统处于稳定的工作运行状态。才不会出现由于真空泵选择不合适而给蒸发器带来诸如蒸发参数不正常或不节能等不良效果。真空泵工作所用的水温不得过高,否则会影响真空泵的吸气量,应采用自来水单独供水。