高效冷凝喷射器在糖厂的应用

【摘  要】本文介绍了高效冷凝喷射器的结构原理，并在糖厂的使用过程中与传统水喷射冷凝器进行对比试验和结果分析，总结得出高效冷凝喷射器的优点。
【关键词】冷凝  喷射  真空
0 前言
真空冷凝设备广泛应用于制糖、食品、化工、医药等行业中。对于制糖行业，蒸发与煮糖有足够的真空度是维持制糖正常生产的必要条件，而真空冷凝设备用水量是比较大的。目前国家提倡节水、节能和降耗减排，因此，如何改进真空冷凝设备，提高其使用性能，成为制糖企业的一个重要关注点。
国内糖厂真空系统主要分为两类：一是使用水喷射冷凝器（如图1所示）；二是使用塔板式冷凝器加真空泵（如图3所示）。前者的优点是：结构简单，操作方便，容易维护；缺点是：水、电消耗量大，真空度不高，尤其对于将冷却水循环使用的糖厂，水温偏高时使其效能降低[1]。后者的优点是：真空度高，用水量比前者少，能耗也较少；缺点是：结构总体比较复杂，投资费用大，操作繁琐，设备的维修维护比较麻烦。两个都各有优缺点，目前国内的糖厂的蒸发和煮糖工段大部分都是使用前者。为此广西机械工业研究院在消化吸收国外先进技术的基础上，开发研制出同时具备上述两者优点的设备——高效冷凝喷射器（如图2所示）。该设备集两者的优点于一身，是糖厂真空系统设备更新换代的理想设备。本文就广西机械工业研究院在德保华宏糖厂成功推广应用的高效冷凝喷射器进行具体分析讨论，并与传统的水喷射冷凝器进行比较。

1 高效冷凝喷射器的结构和工作过程
1.1 高效冷凝器结构
高效冷凝喷射器是在传统水喷射冷凝器的基础上改进的，由图1和图2可以看出，两种喷射器主要有三点不同：
（1）进汽位置不同，传统水喷射冷凝器是从吸气室旁进入，而高效冷凝喷射器从顶部进入；
（2）喷嘴布置不同，高效冷凝喷射器除了喷射喷嘴外，还增加了横向的喷雾喷嘴；
（3）增加了水过滤器，有效防止喷嘴堵塞。

1.2 高效冷凝喷射器工作过程
高效冷凝器的工作过程与传统的水喷射冷凝器的工作过程基本相同，都是利用水的射流作用，在射流水的高速远动过程中，与它周围的的气体产生传热作用，使水蒸汽冷凝并吸入不凝缩气体，形成水气混合物在尾管排出，同时在喷射器内部形成真空[2]。然而，由于高效冷凝喷射器与传统水喷射冷凝器在结构上有上面所说的三个不同点，所以它们的工作过程又有着以下两点区别：
（1）热交换过程不同：高效冷凝喷射器采用了分别具有喷雾冷凝和喷射抽吸功能的喷嘴，即喷雾喷嘴和喷射喷嘴。冷却水经过喷雾喷嘴后喷出伞状的雾化水，使得冷却水与汁汽的接触面积增大，热交换条件好，使可凝性气体迅速凝结成水而形成真空。其传热原理有点类似塔板式冷凝器。剩下的不凝缩气体通过喷射喷嘴射出的射流水抽吸而排出尾管，从而使真空进一步提高，其原理与传统水喷射冷凝器相同，但由于残留的不凝缩气体较少，需要对其所做的压缩功较小。而传统水喷射冷凝器只有喷射喷嘴，可凝性气体和不凝性气体同时经过射流水抽吸后在尾管进行热交换而排出形成真空，由于喷射水流比较集中，表面积小，冷却水与汁汽的热交换面积小，因此需要有足够的水压保证射流水有很大的流速来抽吸所有的汁汽。由此可见，传统水喷射冷凝器的热交换效率较低，要做的压缩功较大，所以耗水量也较大，并且真空不能保证很高。
（2）进水不同：高效冷凝喷射器增加了水过滤排渣装置，水先经过滤器过滤后再进入喷嘴，有效防止水中的杂质进入喷嘴造成堵塞。而留在过滤器内被过滤下来的杂质只需打开排渣装置的扳手即可自动清除。传统水喷射冷凝器则没有这一功能，容易造成喷嘴堵塞，而且堵塞之后清理困难，需要停机打开人孔盖才能清理，既影响生产又增加劳动强度。
对于传统水喷射冷凝器，进水的温度对它的工作效能有非常大的影响。水温升高，则真空度下降，当水温超过40℃后则真空度下降更快。水温对于高效冷凝喷射器也有同样影响，不过由于高效冷凝喷射器吸取了塔板式冷凝器的优点，采用了喷雾喷嘴，大大增加了冷却水与蒸汽的热交换面积，汽液进行热交换比较充分，因此水温的影响有所降低。根据实际使用表明，当水温不超过50℃时，高效冷凝喷射器可正常使用，且真空稳定。

2 高效冷凝喷射器在德保华宏公司的应用情况
华宏公司现有5个煮糖罐（其中2个30m3，3个40 m3），高效冷凝喷射器安装在其中一台30m3煮糖罐上，其余煮糖罐安装传统水喷射冷凝器。华宏公司与广西机械工业研究院、广西电力测试研究院成立一个测试小组，于07/08年榨季元月16号进行测试，比较如下：

2.1 理论用水量
在制糖企业，水喷射冷凝器主要用于蒸发罐和煮糖罐的抽真空，而蒸发罐和煮糖罐工作的时候其所需要抽取的气体以水蒸汽为主，不凝缩气体极少。因而水喷射冷凝器以冷凝为主，其热交换所需水量，一般远多于排除不凝缩气体所用水量。因此，可按热平衡关系用下式计算出水喷射冷凝器所需的水量[3]：
 
          式中，Q——喷射器用水量，m3/h；
                     I——汁汽的热焓，kJ/kg；
                    G——冷凝器进汽量，m3/h；
                    T1——冷凝器进水温度，℃；
                    T2——冷凝器排水温度，℃；
               ——水的重度，取1t/ m3。
    在进水温度相同的条件下，由于高效冷凝喷射器采用喷雾喷嘴，雾化冷凝的表面积大，汽液进行热交换比较充分，所以排水温度要比传统水喷射冷凝器高出4~6℃左右。
当煮糖罐内煮糖温度为65℃、真空为-86.5kPa时相应蒸汽的热焓I=2620.4453 kJ/kg。取传统水喷射冷凝器的进水温度为25℃，排水温度为40℃；而高效冷凝喷射器进水温度为25℃，排水温度为45℃。根据热平衡方程可以计算得出传统水喷射冷凝器与高效冷凝喷射器不同规格型号的用水量对照表如下所示：

传统水喷射冷凝器型号 冷凝蒸汽量t/h 真空度86.5kPa用水量t/h 高效冷凝喷射器型号 冷凝蒸汽量t/h 真空度86.5kPa用水量t/h 高效冷凝喷射器节水率%
TDP7.5 7.5 292.9 φ750 7.5 217.8 25.64
TDP9 9 351.5 φ900 9 261.4 25.64
TDP12 12 468.7 φ1100 12 348.5 25.64
TDP16 16 624.9 φ1200 16 464.7 25.64
    2.2 实测用水量
为了验证高效冷凝喷射器的节水率，测试小组利用超声波流量计对喷射器的用水量进行测量。待测试的传统水喷射冷凝器和高效冷凝喷射器都是安装在30 m3煮糖罐上，安装高度相同，且它们的进水管都是连接在同一条进水母管上。测试结果如下表所示：
　 进水压力
（MPa） 煮糖罐真空度
（MPa） 煮糖罐规格
（m3） 进水量
（m3/h）
传统水喷射冷凝器 0.15 0.078 30 320
高效冷凝喷射器 0.15 0.086 30 230

 由上表可知，在相同的进水压力下，用于同规格的煮糖罐时，高效冷凝喷射器比传统水喷射冷凝器节水：（320-230）/320×100%=28.1%。并且高效冷凝喷射器达到的真空度更高。

3  进水压力的选择
对于传统的水喷射冷凝器，我们一般取其进水压力0.2~0.3MPa，如果是用于糖厂煮糖罐这种以冷凝为主的场合，其进水压力也要在0.15MPa以上，才能保证真空度达到0.08MPa的使用要求。在实际应用中，考虑到水压波动以及管路损失等的影响，传统的水喷射冷凝器进水压力一般为0.2MPa以上。对于高效冷凝喷射器，一般刚开机的时候煮糖罐内不凝气体较多，因此刚开机时取进水压力为0.1MPa以便尽快排除掉不凝气体，当真空度达到0.08MPa以上时，就可以将进水压力调节到0.05MPa左右，这样就能使煮糖罐内的真空度维持在0.08MPa~0.088 MPa的真空度。

4 结论
高效冷凝喷射器在传统水喷射冷凝器的基础上进行了改进，吸取了塔板式冷凝器的优点，具备了以下特点：
（1）设备安装容易，可在传统水喷射冷凝器基础上安装；
（2）喷嘴不易堵塞，耐用，且更换方便；
（3）节水，在用于相同煮糖罐的情况下比传统水喷射冷凝器节水25%以上；
（4）进水压力要求不高，只需0.05~0.1MPa，即可达到86.5kPa真空度，真空稳定；
（5）设备简单，操作方便，投资和维护费用低。
高效冷凝喷射器具备以上特点，目前已在德保糖厂成功使用，相信它在制糖行业将得到越来越广泛的应用。

参考文献
[1] 霍汉镇编著. 制糖工艺与装备的新概念与新实践. 全国甘蔗糖业信息中心.2002
[2] 华南工学院. 糖厂技术装备.轻工业出版社.1990
[3] 康川江. 水喷射冷凝器的设计与应用.化工设计通讯. 2002（1）