Primaria

ТОПЛИННИ ПРОЦЕСИ И АПАРАТИ

1. Основни процеси за трансфер на маса (masstransfer) и топлина (heattransfer)в хим. технологии – същност, особености, разпространение
2. Топлинни процеси в химичните и биохимични производства – нагряване, охлаждане, кондензация, изпаряване.
3. Оборудване за реализиране на топл. процеси – топлинни апарати

1. Същност на топлинните процеси (топлопроводност, топлопредаване, топлинно излъчване)

Топлинните процеси се използуват за интензифициране на химични реакции и благоприятствуват протичането на важни технологични процеси в химическа­та, хранително-вкусовата и биотехнологичната промишленост - екстракция, абсорбция, кристализация, разтваряне, сушене и др. Топлината се предава без разход на работа само от тела с по-висока към тела с по-ниска температура, като този процес на пренос на топлина продължава до израв­няване на температурите. Следователно движеща сила при проти­чането на топлинните процеси е температурната разлика.

Преминаването на топлина от една част на пространството в друга може да стане по три начина:

    а) чрез топлопроводност (кондукция);

    б) чрез топлопредаване (конвекция);

    в) чрез топлинно излъчване (радиация).

• Топлопроводността представлява пренасяне на топлина вследствие безпорядъчното (топлинно) движение на макрочастиците, непосредствено допиращи се една с друга. Това движение може да е движение на молекулите (при газовете и течностите) или колебанието на атомите (в кристалната решетка на твърдите тела), или дифузия на свободните електрони (в металите). В твърдите тела топлопроводността е основният начин за разпространение на топлината.
• Конвекция се нарича пренасянето на топлина, вследствие движението и разбъркването на макроскопични обеми газ или течност. Конвекцията бива: естествена (свободна), която се обуславя от разликата в плътностите на различните точки в обема на газа или течността и принудителна (движение на целия обем флуид (напр. При разбъркване).
• Топлинно излъчване  - това е процес на разпространение на електромагнитни колебания с различна дължина на вълните, обусловено от топлинното движение на атомите или молекулите на излъчващото тяло.

1. Основни понятия – топлоносители, температурно поле, температурен градиент, топлинен баланс, топлинни загуби, топлинна изолация и др. 

1. Топлоносители – видове

Топлоносителят е материална среда (агент), която предава или отнема топлина от друга материална среда, използувана в опре­делен технологичен производствен процес, където нагряването или охлаждането са необходим етап от получаването на крайния про­дукт. Например нагряването на въздуха е необходим етап за про­изводствения процес при конвективно сушене на влажни материали.

Обикновено едната от материалните среди, които протичат в топлообменника, е определена като елемент от технологичния процес със съответните режимни параметри - дебит, налягане, темпера­тури и топлофизични свойства. В повечето случаи топлоносителят може да бъде подбран от конструктора на топлообменния апарат. Понякога той също се задава според изискванията за технологич­ния процес.

От икономическа гледна точка най-подходящ е този топлоносител, при който топлообменната повърхност и разходът на енер­гия за осъществяване на циркулацията са най-малки и чиято цена с най-ниска.

При избор на топлоносител  трябва да се спазват  следните по-важни показатели: минимална токсичност; минимално корозионно и замърсяващо въздействие върху конструкционните материали; висока температура на кипене и разлагане; ниска температура на втвърдяване; добри топлофизични свойст­ва; взриво- и пожаробезопасност.

Освен това топлоносителите трябва да позволяват регулиране на температурата в широки граници с достатъчна точност.

Вода. Като топлоносител водата има най-голямо приложение за битови и промишлени цели. Из­ползува се предимно в температурния интервал 80 - 150 °С. В промиш­леността и енергетиката тя се използува по-широко като охлаж­даща среда, тъй като има редица положителни качества: намира се в голямо количество в природа­та, евтина е, нормалната й естествена температура (10 - 15 °С) е напълно подходяща за повечето случаи на охлаждане, циркулационното й охлаждане се реализира с минимални средства, има нис­ка корозионна активност, голям специфичен топлинен капацитет, висок коефициент на топлопредаване, малък и почти постоянен вискозитет.

Като топлоносител водата се използва за почти всички конст­рукции топлообменни апарати. При работа с нея се препоръчва скоростта й в каналите да бъде 1,5-2 м/сек, с което се осигурява ефективен топлообменен процес.

Наситена водна пара. За нагряване на различни вещества чес­то е много по-целесъобразно да се използува наситена водна пара вместо гореща вода. Топлофизичните им качества са близки, но при кондензация температурата остава постоянна, а за да се постигне определена температура на нагряване, водата трябва да има много висока начална температура.

Положителните качества на наситената водна пара като топлоносител са: много висок коефициент на топлопредаване; голяма стойност на скритата топлина при изпарение; постоянна темпера­тура при постоянно налягане, безвредност. При използуването й като топлоноситсл топлинните апарати могат да имат значи­телно по-малки размери.

Процесът на нагряването се регулира лесно чрез изменение на налягането, което еднозначно определя температурата на парата. Пропуски на водна пара през уплътненията не са опасни, тъй като тя не е токсична, но съществува опасност от обгаряния при непосредствен контакт.

Полученият кондензат от парата има малък специфичен обем и връщащите топлопроводи (кондензаторпроводите) имат много по-малки сечения от паропроводите. Тъй като наситената водна пара няма корозионно действие, тръбопроводите могат да се изработ­ват от обикновени въглеродни стомани.   

Наситената водна пара има някои недостатъци : при висока температура се изисква високо налягане (например на 300 °С съответствува на­лягане 8,76 МРа); при високи температури и съответни налягания термичното съпротивление става по-високо за сметка на увеличе­ната дебелина на стената, която се определя  от съображения за якост.

От икономическа гледна точка целесъобразно е да се използу­ва наситена водна пара с температура до 180 - 200 °С, което отго­варя на налягане 1-1,6 МРа.

Коефициентът на топлопредаване при кондензация на насите­на водна пара намалява, ако парата съдържа некондензиращи га­зове, като въздух и др. Това изисква предварително обезвъздушаване на инсталацията и непрекъснато отвеждане на въздуха, отде­лен при кондензацията, ако парата е получена от недоаерирана (необезвъздушена) вода.

Прегрята водна пара. Тя има значително по-малко приложение в промишлеността като топлоноситсл. Използува се само при необходимост от високи температури на нагряване. По своите свойства прегря­тата пара е близко до газовете - има нисък коефициент на топлоп­редаване и малък специфичен топлинен капацитет, но изисква малко топлина за прегряване.

Ако охлаждането на прегрятата пара става до температурата на кондензация, общата ефективност на процеса се повишава.

Димни газове. Това са най-разпространените газообразни топ­лоносители.Те имат следните положителни свойства: могат да бъ­дат използувани при високи температури (до 900 - 1100 °С) без опасност от химично разлагане, налягането им не се отличава от барометричното, цената им зависи само от цената на горивото, което е използувано в процеса на получаване. В случаите, когато димни­те газове са отдаден продукт, температурата им може да се изме­ня в широки граници чрез смесване с атмосферен въздух.

Димните газове имат и някои недостатъци: нисък коефициент на топлопредаване и малък специфичен топлинен капацитет. Те не са подходящи за пряко нагряване на някои химически и хранител­ни продукти.

Димните газове се използуват най-често за загряване на въздух за нуждите на различни промишлени съоръжения, като парни кот­ли, сушилни уредби и др.

Минерални масла. Минералните масла могат да се използуват като топлоносители за температури до 230 °С. При по-високи температури те започват да се разлагат. Като топлоносители минералните масла имат сериозни недостатъци: нисък коефициент на топлопредава­не, малък специфичен топлинен капацитет и голям вискозитет. Те са пожароопасни - постепенно се образуват неразтворими вещес­тва, които се натрупват върху топлообменната повърхност, поя­вяват се водоразтворими киселини.

Измененията в качествата на маслата водят до увеличаване на вискозитета им и до осмоляване и коксуване на топлообменните повърхности, което рязко снижава топлинната мощност на апаратите.

В много технологични процеси нагряването с минерални мас­ла е задължително, но е необходимо да се използуват подходящи конструкции апарати, при които е възможно да се почиства топ­лообменната повърхност и скоростта на потока е до 1м/сек .

Високотемпературни топлоносители. С малки изключения разгледаните дотук топлоносители могат да се използуват за температури до 250 - 300 °С. В случаите, когато е необходимо нагряване до по-високи температури, намират приложение т.нар. високотемпературни топ­лоносители. Като такива могат да се използуват разтопени неорганични соли, метали в течно състояние, органични и неорганич­ни вещества. Търговските наименования на най-известните от тях са даутери, дифил, термекс и др.

Течни метални топлоносители.Особено важни предимства на тези топлоносители са големите им топлопроводност и топлоустойчивост и ниските налягания на насищане при високи темпера­тури. Това позволява да се използуват в процеси, изискващи мно­го високи температури на нагряване (над 700 °С). Благодарение на своите изключителни топлоотдаващи качества намират широ­ко приложение в ядрената техника. Течните метални топлоноси­тели имат и някои недостатъци. Най-основните са високата ток­сичност на техните пари, голямата окисляемост при съприкосно­вение с въздуха, повишената агресивност към конструкционните материали при температури над 550 °С. При използуването им в циркулационните системи се наблюдава не само химическа, но и електрическа корозия. Ето защо нагревателните елементи трябва да се изработват от корозиоустойчиви метали.

ТОПЛИНЕН БАЛАНС

1. Същност и необходимост от топлинен баланс

Топлинният баланс изразява: количеството топлина, която се отдава от топлия флуид за единица време (Q1) се изразходва за загряване на студения флуид (Q2), и някаква относителна малка част от тази топлина се изразходва за компенсиране на топлинните загуби на апарата в околната среда (Qзаг.). В топлообменните апарати, покрити с изолация Qзаг не надхвърля 3 – 5 % полезно изразходваната топлина. Qзаг. = 0.03 – 0.05 Q1. Затова в много от изчисленията  тя може да се пренебрегне.

При топлообмена между топлоносителите се извършва намаляване на енталпията (топлосъдържанията) на горещия топлоносител и увеличаване на енталпията на студения топлоносител. Нека количеството на горещия топлоносител означим с Gт, и началната (Iт.н.) и крайната (Iт.к.) му енталпия с Iт.н.  Iт.к. Параметрите на студения топлоносител да бъдат съответно : Gс, Iс.н. и  Iс.к. Означаваме още с:

         Q1 – количеството топлина, внасяна с горещия топлоносител, W.

Q2 – количеството топлина, внасяна със студения   топлоносител, W.

Q3 – количеството топлина, изнасяна с горещия топлоносител, W.

Q4 – количеството топлина, изнасяна със студения   топлоносител, W.

Qзаг. – загуби на топлина в околната среда, W

Тогава:

 Q1 = Gт. Iт.н.  ; Q2 = Gс. Iс.н.  ;  Q3 = Gт. Iт.к. ;

 Q4 = Gс. Iс.к.

Тогава, уравнението на топлинния баланс ще бъде:

Q1+Q2 = Q3+Q4 +Qзаг.

Или:

Gт. Iт.н.  + Gс. Iс.н.  = Gт. Iт.к.+ Gс. Iс.к. + Qзаг.

Gт. Iт.н.  - Gт. Iт.к.  = Gс. Iс.к.- Gс. Iс.н. + Qзаг.

Gт.(Iт.н. - Iт.к.)= Gс.( Iс.к. - Iс.н.)  + Qзаг.

Величината Gт.(Iт.н. - Iт.к.) = Qт е топлината отдадена от топлия флуид, а Gс.( Iс.к.- Iс.н.) = Qс е топлината преминала към студения флуид.

 Следователно:

 Qт = Qс + Qзаг.

Ако пренебрегнем топлинните загуби, то уравнението на топлинния баланс е:

Q = Qт = Qс

Q = Gт.(Iт.н. - Iт.к.)= Gс.( Iс.к. - Iс.н.)

Ако топлообменът протича без изменение на агрегатното състояние на топлоносителите то:

I=c.T

Където:

C - специфичен топлинен капацитет, J/Kg.K

T – температура, °C

Iт.н. =Cт. Tт.н.;  Iт.к. =Cт. Tт.к. ;  Iс.н.=Cс. Tс.н.;

Iс.к.=Cс. Tс.к.

Q =Gт.( Cт. Tт.н. - Cт. Tт.к.) = Gс.( Cс. Tс.к. - Cс. Tс.н.)

Q =Gт. Cт. (tт.н. - tт.к.) = Gс. Cс. (tс.к. - tс.н.)

Топлинен баланс, когато няма промяна в агрегатното състояние на флуидите.

Ако горещия флуид е наситена пара, то тя ще променя агрегатното си състояние или:

Qт = Gn.Ч

Gn – количество на парата

Ч – топлина на фазово превръщане, J/kg

Топлинният баланс ще придобива вида:

Q= Gn.Ч = Gc.Cc.(tc.к. – tc.н.)

Основно уравнение на топлопреминаването. Температурно поле и температурен градиент

Изчисляването на топлообменната апаратура включва:

•  Определяне на топлинния поток (т.е. топлинното натоварване на апарата).

 Q – това е количеството топлина, което трябва да бъде предадено за определено време от единия топлоносител към другия.

•  Определяне топлообменната повърхност на апарата F, която да осигури предаването на определено количество топлина за определено време. Топлообменната повърхност се намира от основното уравнение на топлопреминаването.

Общата кинетична зависимост за процесите на топлопреминаване, изразяваща връзката между предаваната топлина Q' и топлooбменната повърхност F, представлява основното уравнение на топлопреминаване.

Q' = k.F.Δtср.τ                                                               ( 1 )

Но  Q' / τ = Q  - топлинен поток, то уравнение (1) придобива вида:

Q = k.F.Δtср  

Tова уравнение показва, че топлинният поток е право пропорционален на F,Δtср и коефициентът на топлопреминаване k. От уравнение (1) произтича измерителната единица и физичният смисъл на k:

K = Q' / ( F.Δtср.τ )  =  J / ( m².K.S )  =  { W / ( m².K ) }

По този начин коефициентът на топлопреминаване показва какво количество топлина преминава за единица време през единица топлообменна повърхност при температурна разлика между топлоносителите 1 ºC.

Средната температурна разлика между двата флуида е движещата сила на топлообменния процес и се определя в зависимост от посоката на движение на двата топлоносителя и от това дали топлообмена протича с изменение или без изменение на агрегатното състояние на някой от топлоносителите.

При топлообмен без изменение на агрегатното състояние, двата флуида могат да се движат правотоково, противотоково, смесено и кръстосано. При това, изменението на температурата на двата топлоносителя по дължината на апарата ще бъде:

Противотоково движение

Правотоково джижение

Кръстосано движение

Смесено движение

При правотоково движение:

Δ tmax = tт.н. – tс.н.  

Δ tmin = tт.к. – tс.к.

При противотоково, кръстосано и смесено движение:

Δ tmax = tт.н. – tс.к. 

Δ tmin = tт.к. – tс.н.

При топлообмен на наситена водна пара и друг флуид изменението на температурите им по дължина на апарата е :

Δ tmax = tп – tс.н.   Δ tmin = tп – tс.к.

                            Наситена водна пара или друг топлоносител с t=const

За изчисляване на средната температурна разлика  ( Δtср ), за всички посочени по горе случаи се използват следните 2 формули:

1. средно аритметична формула. Тя се използва, когато:

Δ tmax / Δ tmin  ≤  2 

Δtср = ( Δ tmax + Δ tmin )  /  2 

1. средно логаритмична формула. Тя се използва когато:

Δ tmax / Δ tmin  >  2 

Δtср = (Δ tmax - Δ tmin)  / {ln.( Δ tmax / Δ tmin  )}

Под температурно поле се разбира съвкупност от стойностите на температурата във всички точки на разглежданата среда в даден момент от време. В най общия случай t в дадена точка зависи от координатите (x,y,z) и се изменя с времето τ :

T = f( x,y,z, τ )  - това е уравнение за нестационарно температурно поле.

T = f( x,y,z, ) – т.е. температурата е функция само на пространствените координати. Това е уравнение за стационарно температурно поле.

Ако през всички точки на едно тяло, които имат еднаква температура прекарваме равнина, ще получим линиите на постоянната температура (изотерми). В пространственото геометричното място от точки с еднаква температура се нарича изотермична повърхност. Нека разликата в температурите между две близко лежащи изотермични повърхности е  Δt. Най–краткото разстояние е по нормалата между тях ∆n. При приближаване на тези повърхности , отношението Δt / ∆n се стреми към границата:

Lim (∆t / ∆n) ∆n→n ═ ∂t / ∂n

Производната на температурата към производната на разстоянието по нормалата се нарича температурен градиент (показва изменението на температурата на единица разстояние по нормалата).

Поток топлина, може да възникне само при условие, че температурният градиент е различен от нула (∂t/ ∂n≠0).

Пренасянето на топлина се извършва винаги по линията на температурния градиент, в направление на намаляване на температурата и е пропорционално на температурния градиент, но с обратен знак q ~ ( - ∂t / ∂n ).

Пренасяне на топлина чрез топлопроводност. Уравнение на топлопроводност за плоска стена

Най – важните начини за пренасяне на топлина в промишлени условия са: топлопроводността и конвекцията. Основният закон за предаване на топлина, чрез топлопроводност е законът на Фурие, съгласно който количеството топлина dQ', което се предава чрез топлопроводност през елементарната повърхност dF, перпендикулярна на топлинния поток, за време dτ е правопропорционална на температурния градиент ∂t/∂n, повърхността и времето:

dQ' = - λ.( ∂t/∂n ).DF.Dτ                                                ( 1 )

∂t/∂n е температурният градиент, и показва изменението на температурата на единица разстояние.

Знакът минус (-) показва, че топлината се пренася в посока на намаляване на температурата.

От горното уравнение се получава:

Q = dQ' / ( dF.Dτ ) = - λ.( δt / δn )

Където Q е плътност на топлинния поток.

Коефициентът на пропорционалност λ се нарича коефициент на топлопроводност. Той се извежда от уравнението ( 1 ):

λ ═ ( dQ'. ∂n ) / ( dF.Dτ. ∂t) = (J.M ) /( m².S.K )= [ W/ m.K ]

По този начин  λ показва какво количество топлина преминава чрез топлопроводност за единица време през единица повърхност, при намаляване на температурата с  1 °C на единица дължина (разстояние) (по нормала към изотермичната повърхност). λ зависи от природата на веществото, неговата структура, температурата и от др. фактори. При обикновена температура най–добри проводници на топлината са металите, а най – лошите газовете ( λмед.= 394 W/ m.K,   λвъзд. = 0,027 W/ m.K ).

Оста x е разположена по нормала спрямо стената.  

tст.1 > tст.2

За да се изведе уравнението на топлопроводност за плоска стена, се използува диференциалното уравнение на топлопроводност (уравнение на Фурие) за стационарен режим, т.е. ∂t/∂τ = 0 (температурата не се променя с времето).

 δ – дебелина на стената.

Уравнението има вида:

( δ²t / δx² ) + ( δ²t / δy² ) + ( δ²t / δz² ) =  0                     ( 1 )

Да приемем, че температурата се променя само по оста x, т.е. температурното поле е еднородно, или:

δt/δy =0

и

δt / δz = 0.

Тогава горното уравнение приема вида:

δ²t / δx² = 0                                                                    ( 2 )

След интегриране на уравнението ( 2 ) се получава:

t = C1.X + C2                                                                       ( 3 )

Това уравнение показва, че температурата по дебелината на плоска стена се изменя праволинейно. Константите от интегрирането C1 и C2 се определят като се изхожда от следните гранични условия:

при x = 0,  t = tст.1 и от уравнение ( 3 ) се получава:

tст.1 = C2

При x = δ,  t = tст.2 и уравнение ( 3 ) приема вида:

tст.2 = C1.δ + tст.1

от където:

С1 = ( tст.2 - tст.1 ) / δ

След като поставим стойностите на С2 и С1 в уравнение

( 3 ) и получаваме:

t= [ ( tст.2 - tст.1 ) / δ].X + tст.1                                  ( 4 )

След диференциране на уравнение ( 4 ):

dt / dx = ( tст.2 - tст.1 ) / δ

където, dt / dx е температурният градиент.

 Като заместим този израз в закона на Фурие за топлопроводността:

dQ' = - λ.( δt / δx ).DF.Dτ

се получава:

dQ' = - λ. [ ( tст.2 - tст.1 ) / δ]. DF.Dτ   

или:

Q' = ( λ / δ ). F.τ.( tст.1 - tст.2 )

Полученото уравнение, е уравнение на топлопроводност за плоска стена и стационарен периодичен процес.

За непрекъснат процес, когато τ = 1 уравнението на топлопроводност е:

Q  = ( λ / δ ).( tст.1 - tст.2 ). F

Това е уравнението на топлопроводност за плоска стена, за непрекъснат стационарен процес.

Ако плоската стена е многослойна, като всеки слой има различно  λ  и δ :

Q  = [ ( tст.1 - tст.2 ). F ] / [ Σ ( δ / λ ) ] =

[ Σ ( λ / δ ) ]. [ ( tст.1 - tст.2 ). F]

Ако стената е цилиндрична и еднослойна F = 2π.R.L  топлообменна повърхност.

R – радиус на цилиндричната стена.

L – дължина на цилиндричната стена.

Q=[2π.R.L.( tст.1 - tст.2 ) ] / [( 1 / λ).2,3.Lg(d_вън./d_вътр.)]

където, d_вън.  е външен диаметър на стената, а d_вътр.е вътрешен диаметър на стената.

Пренасяне на топлината чрез конвекция

Пренасянето на топлината от горещ флуид към студен флуид през стена или обратно се извършва чрез конвекция и топлопроводност.

При предаване на топлината от горещ флуид към студен флуид, през стената и от двете страни на стената, се образува ламинарни подгранични слоеве. През тези слоеве топлината се предава чрез топлопроводност и температурата се променя линейно по закона на топлопроводност. В същото време извън пределите на тези ламинарни слоеве, в основната маса на топлоносителите, температурата във всяко напречно сечение е почти постоянна. В ядрото на потока пренасянето на топлина се осъществява едновременно чрез топлопроводност и конвекция, при което това съвместно пренасяне на топлина се нарича конвективен топлообмен. В ядрото на потока преобладаващо влияние върху топлообмена оказва конвективното пренасяне, но при приближаване към стената все по – голямо значение придобива топлопроводността и през ламинарния слой пренасянето се осъществява само чрез топлопроводност. За интензификация на конвективния топлообмен  е необходимо дебелината на подграничния  ламинарен слой да бъде колкото се може по–малка. Това се постига с увеличаване на турбулентността на движещите се топлоносители. Следователно може да се каже, че пренасянето на топлина чрез конвекция е толкова по– интензивно, колкото по-турбулентно(колкото с по – голяма скорост ) се движи цялата маса течност. По този начин конвекцията е свързана с механическо пренасяне на топлина и силно зависи от хидродинамичните условия на движение на течността. Тъй като механизмът на конвективния топлообмен е много сложен възникват трудности, при изчисляване процесите на топлоотдаване. За точното решаване на задачата при определяне на количеството предадена топлина от топлоносителя към стената и обратно е необходимо да се познава:

• Температурния градиент покрай стената.
• Профилът на изменение на температурата на топлоносителя по топлообменната повърхност.

Тъй като определянето на тези величини е доста трудно, е прието да се използва относително простия закон за топлоотдаване:

Q' = α2.F.τ.(tст. – tтеч.) = α1.F.τ.( tтеч. – tст. )

т.е. количеството топлина Q', отдадено за време τ от повърхността на стената с площ F, имаща температура tст. към течността с температура tтеч. е правопропорционално на площта F и температурната разлика (tст.–tтеч.).Коефициентът на пропорционалност α се нарича коефициент на топлоотдаване и има единица W/m².K. Той показва интензивността на пренасянето на топлина между топлообменната повърхност и топлоносителите. αзависи от много фактори :

• От скоростта на движение на топлоносителите.
• От плътността им.
• От динамичният им вискозитет.
• От топлинните свойства на топлоносителите с, λ, коефициент на обемно разширение  β.
• От формата и определящите размери на топлообменната повърхност.
• От грапавината на стената и др.

Понеже α зависи от много фактори, не може да се получи едно уравнение за всички случаи на топлообмен. Само чрез обобщаване на опитните данни с теорията на подобие могат да се получат обобщени критериални уравнения за различни типове случаи на топлообмен, с които се изчислява α. В тези обобщени критериални уравнения участвуват критериите на Re, Pe, Pr, Gr, Ga и др.

Nu = f.( Re, Pe, Pr, Gr, Ga ) ; Nu = ( α.De ) / λ   →

α = ( Nu.λ ) / de

α1 – коефициент на топлоотдаване от топлия флуид към стената.

α2 – коефициент на топлоотдаване от стената към студения флуид.

Нагряване. Методи на нагряване. Видове топлообменници – с риза, змиевикови, тип “тръба в тръба”

При процеса нагряване, определената работна среда трябва да се загрее до по – висока температура с помощта на нагряващ агент (топлоносител). Обратният процес на нагряването е охлаждане. При него е необходимо работната среда да се охлади до по – ниска температура с помощта на охлаждащ агент (топлоносител). В нашата промишленост флуидите се охлаждат като се оставят в покой в резервоари. Най – често обаче те се охлаждат по изкуствен начин с въздух, вода, лед или солеви разтвори (разсол). Охлаждането може да се проведе по два начина:

• Пряко (директно) – охлаждащият агент се смесва с охладеното вещество.
  • Непряко (коствено) – охлаждането се извършва през топлообменна стена.

Нагряването се извършва по няколко начина: директно, индиректно, с инфрачервени лъчи и др.

       I. При директното загряване, обикновено се използва водна пара. Парата се вкарва пряко в течността чрез барботиране. Барботьорите представляват перфорирани тръби, пръстени, спирали и др. Парата отдава топлината си, кондензира и кондензатът се слива с течността. Ефективността на загряване зависи от големината на мехурчетата на барботиращата пара – колкото са по малки, толкова фазовият контакт е по – добър.

Схеми на директно загряване с пара:

• Резервоари
  • • • • Вход на парата
        • Барботьори
• Индиректното (непряко) загряване е характерно с това, че полученият кондензат не се смесва с загряваната течност. Топлият агент отдава своята топлина на нагряваната среда през стена, която трябва да е добър проводник на топлината.

Апаратите, в които протичат процесите на нагряване и охлаждане се наричат топлообменни апарати или топлообменници. Те имат една и съща конструкция както за нагряването, така и за охлаждането, като в единия случай се наричат нагреватели, а в другия охладители. Основните изисквания към топлообменните апарати са:

• Да осигуряват провеждането на технологичния процес със зададени параметри (спазване на температурния режим, време за топлинно въздействие, възможност за автоматично регулиране на температурата) и да се получава продукт с високо качество.
• Да осигуряват интензивен топлообмен, да осигурява високи стойности на коефициентите на топлопреминаване и ниски хидравлични съпротивления.
• Да имат проста, компактна и лека констукция.
• Да бъдат удобни за монтаж и ремонт.
• Да могат лесно да се почистват и обслужват.
• Да бъдат евтини, сигурни и безопасни при работа.

Класификацията на топлообменните апарати се провежда по няколко признака:

1. Според принципа на действие биват:

       А. Повърхностни – топлината се предава през метална повърхност.

       Б. Смесителни – директно смесване на  топлия и студения флуид.

2. Според предназначението си:

      А. Нагреватели – нагряване.

      Б. Охладители - охлаждане.

      В. Кондензатори – кондензация.

      Г. Изпарители – изпарение и др.

3. Според взаимното движение на флуидите:

     А. Правотокови.

     Б. Противотокови.

     В. С кръстосано движение на флуидите.

     Г. Със смесено движение на флуидите.

4. Според броя на ходовете:

     А. Едноходови – когато флуидът преминава само веднъж по дължината или ширината на апаратите.

    Б. Многоходови – при многократно преминаване на флуида по дължина или ширина на апарата.

5. Според конфигурацията на топлообменната повърхност: с парна риза, змиевикови, тръбни, спирални, пластинчати и др. Най – разпространени са тръбните, които в зависимост от положението на тръбите биват: хоризонтални, вертикални, и наклонени.

Топлообменник с парна риза:

• Съд.
  • • • • Парна риза.
        • Вход на парата.
        • Изход на кондензата.
        • Изход на продукта.
        • Вход на продукта.
        • Щуцер.

Тези апарати са цилиндрични с полусферично дъно, като част от тялото и дъното им е обхваната с метална риза. Тя може да е захваната с фланци или да е заварена към съда. Когато диаметърът на съда е  > 1 m, правят се няколко входни щуцера за топлоносителя, за равномерно запълване на парното пространство. Парата се подава в горната част на ризата през щуцер 3, а кондензата се отвежда отдолу през щуцер 4. Височината на ризата не трябва да е по – висока от нивото на течността в съда. Интензивността на топлообмен може да се повиши, ако средата се разбърква. Те са с просто устройство, лесно се разработват и лесно се почиства топлообменната повърхност. Недостатъците им са: ограничена топлообменна повърхност, нисък коефициент на топлоотдаване от средата към стената.

Змиевикови топлообменници – при тях топлообменът се извършва през тръбна повърхнина, навита във форма на змиевик (серпентина).

• Корпус на апарата.
• Серпентина (змиевик).
• Вход на парата.
• Изход на кондензата.
• Вход на загряваната течност.
• Изход на загрятата течност.
• Цилиндър.

Когато загряването се извършва парата се движи в серпентина, а продуктът я обтича отвън. За да се увеличи коефициентът на топлоотдаване от страната на течността, серпентината се навива около един вътрешен цилиндър 7. По този начин се намира сечението, през което преминава течността, увеличава се нейната скорост, а от там и турбулентността. При това обаче значително се намалява полезно използувания обем на апарата. В някои случаи по големия обем течност изпълващ корпуса има и положително значение, защото осигурява по - устойчива работа на топлообменника, промяна на дебитите на топлоносителите. Тези топлообменници имат широко приложение, в следствие на простото устройство, евтини са и са достъпни за ремонт и почистване.

Топлообменници тип “ тръба в тръба”

• Външна тръба.
• Вътрешна тръба.
• Коляно.

4 и 5. Вход и изход на единия топлоносител.

6 и 7. Вход и изход на втория топлоносител.

Тези топлообменници се състоят от няколко секции разположени една под друга. Обикновено парата се движи в междутръбното пространство. Движението на двата флуида е правотоково и противотоково (в повечето случаи). Тъй като тези топлообменници имат малко напречно сечение на тръбното и междутръбното  пространство при тях даже и при малки дебити се постига сравнително високи скорости на течността ( 1 – 1,5 m / s ), което позволява да се получат по – високи коефициенти на топлоотдаване (α1 и α2) и по – високи топлинни натоварвания на единица маса от апарата. Освен това с увеличаване на скорстта на движение на топлоносителите се намалява възможността за отлагане на замърсявания по топлообменната повърхност.

Кожухотръбни топлообменници

Това са най – разпространеният вид топлообменни апарати. Те се използуват за топлообмен между потоци в разни агрегатни състояния: пари – течност, течност – течност, газ – газ, газ – течност, при широк диапазон на изменение на работните условия и дебитите на флуидите.

• Кожух.
• Тръбна решетка.
• Тръби.
• Капаци.
• Вход на парата.
• Изход на кондензат.
• и 8.Вход и изход на нагрявания продукт.
• Опорни лапи.

Топлообменникът се състои от кожух, в който са разположени тръбите, оформени в тръбен сноп 3. В двата края тръбите са поставени в отворите на тръбните решетки 2, така че свързването им с тръбните решетки да е херметично. Образуват се две пространства – в тръбите (тръбно), а между тръбите (междутръбно) – ограничено между тръбите, кожуха и външната повърхност на тръбите. В тези две пространства се движат топлоносителите както в правоток, така и в противоток. По този начин топлообменната повърхност е повърхността на тръбите. От двете страни апаратът е затворен с капаците 4, на които се намират щуцерите за вход и изход на продукта. Капаците (дъната) са свързани с корпуса на апарата, с фланци и болтове. Това дава възможност на апарата да се почиства (защото се отваря).

Почистването може да стане механично или химически (с NaOH или HCl – разтвори). Когато загряването става с пара тя настъпва между тръбното пространство през щуцера 5, а през щуцера 6 излиза кондензатът. Тръбите се закрепват в тръбните решетки, най – често чрез заваряване (ако са стоманени) или чрез развалуцване (ако са с цветен метал). Кожухът се разработва от стомана и има цилиндрична форма. Вътрешният диаметър е от 0,4 – 2 m. Тръбите са тънкостенни и се изработват от месинг,  мед, стомана. Диаметрите се варират от 2 – 10 cm, за увеличване на топлообменната повърхност е по добре да се използуват тръби с по – малък диаметър, но това зависи от вискозитета на течността (↑µ - голям диаметър, ↓µ - малък диаметър).

Важно значение за по доброто използуване на сечението на апарата има разпределението на тръбите в тръбната решетка. То може да се осъществи по 3 начина:

За да се подобри топлообменът чрез повишаване скороста на течността и удължаване пътя на продукта се използуват многоходови топлообменници. Това се постига чрез поставяне на вертикални прегради от вътрешната страна на капаците, които достигат до тръбните решетки, по този начин апаратът се разделя на няколко тръбни снопа, като течността преминава последователно през тях.

• Многоходов кожухотръбен топлообменник.
• Вертикални прегради.

Броят на ходовете може да бъде от 2 до 16.

Многоходови топлообменници се получават и чрез монтиране на хоризонтални прегради (сигменти) в между тръбното пространство.

• Многоходов топлообменник.
• Пръстеновидни прегради.
• Дискови прегради.

• Многоходов кожухотръбен топлообменник  с няколко хода в тръбното и между тръбното пространство.
• Сигментни прегради (дискове като част от тях е отрязана) в между тръбното пространство.
• Тръбна решетка.
• Тръби.
• Вертикални прегради.

Тъй като разликата в температурите на двата флуида е голяма е възможно да се предизвика по – голямо удължение на тръбите в сравнение с кожуха, поради което възниква напрежения в тръбната решетка и се нарушава херментичността на валцовката. За това топлообменниците с неподвижна тръбна решетка се използуват при разлика в температурите на двата флуида до 50˚C и  при сравнително неголяма дължина на апарата. За да се отсрани вредните последствия от големите разлики в температурата на флуидите се използуват топлообменни апарати с температурни компенсатори или сплаваща глава.

Кондензация.Повърхностни и смесителни кондензатори

Кондензацията е процес на втечняване на водни и други пари. Той може да се провежда чрез охлажданенапарите или чрез тяхното свиване. Охлаждане и кондензация на парите се получава: в различни топлообменни апарати, където за загряване се използуват водни пари. Процесът кондензация намира приложение и за създаване на вакуум, защото при кондензирането си водните пари намаляват обема и в апаратите, където се извършва този процес се създава силно разредено пространство (вакуум, който се  предава и на уредите свързани с тези апарати). Освен това кондензацията намира приложение и при разделяне на парни смеси, които се състоят от компоненти с различна точка на втечняване (при процесите на дестилация и ректификация).

Охлаждането на парите може да се извършва с вода или с въздух. Водата има по – добри топлоотдаващи свойства и намира по – голямо приложение. Въздухът се използува главно в хладилните уреди.

Апаратите, в които се извършва процесът кондензация се наричат кондензатори. По принципа си на действие те биват: повърхностни и смесителни.

Повърхностните кондензатори са тези, при които охлаждането и кондензирането на парите се извършва през топлообменни повърхности, без да се смесва директно парите с охлаждащата вода. Те се използват когато парите, които се кондензират са ценен продукт и не бива да се смесват с водата.

Смесителните кондензатори кондензират парите чрез директно смесване на последните (парите) с охлаждащата вода (агент). При това се получава налягане по–ниско от атмосферното, т.е. се създава вакуум. Смесителните кондензатори намират широко приложение и се използуват като спомагателни апарати към изпарителните уреди, за да се създаде вакуум в тези уреди. Смесителните кондензатори имат проста конструкция, висока производителност и лесно могат да бъдат защитени от корозия.

В зависимост от взаимното движение на водните пари и на охлаждащия агент, смесителните кондензатори биват: правотокови и противотокови. В зависимост от начина на отделяне на некондензиралите газове и на водата от кондензатора, смесителните кондензатори биват сухи и мокри.

• Вход на охлаждащата вода.
• Вход на парите.
• Дюзи за разпръскване на охлаждащия агент.
• Изход към сухата вакуум помпа.
• Изход на сместа кондензат.

Охлаждащата вода постъпва през дюзите 3 под налягане. Това налягане се осигурява или чрез помпа, или от вакуум, който се създава в апарата. Некондензиралите газове се изтеглят от горния край на апарата със суха вакуум помпа. Тези кондензатори са с малка височина и осигуряват вакуум до 85 %.

Сухи кондензатори са тези, при които некондензиралите газове се отделят със суховъздушна вакуум помпа, а водата се отделя през тръбата. Техен представител намерил най – широко приложение е барометричният кондензатор. Той е противотоков и в него сместа от кондензат и охлаждаща вода се отстраняват чрез барометрична тръба, а некондензиралите газове – чрез суха вакуум помпа.

• Корпус на кондензатора.
• Барометрична тръба.
• Вход на вторичната пара.
• Вход на охлаждащата вода.
• Изход на некондензиралите газове.
• Тарелки – броят им е от 5 до 8, като разстоянието между тях намалява от долу на горе, тъй като в тази посока намаля и качеството на парата.
• Капкоуловител.
• Суха вакуум помпа.
• Резервоар за сместа от некондензирали газове и охлаждащата вода.
• Прегради.
• Вентил.

Корпусът на барометричния кондензатор е цилиндричен и в него има разположени определен брой тарелки 6. Предназначението на тарелките е да увеличат движение на охлаждащия агент и вторичните водни пари, с цел да се осигури пълно кондензиране на парите. Охлаждащата вода се подава с помпа  и постъпва на най – горната тарелка. Вторичните пари се подават в долната част на корпуса и се движат в противоток на охлаждащата вода. В резултат на кондензиране на парите се намалява техният обем около 1000 пъти, благодарение на което се създава вакуум  в апарата, който се пренася и в изпарителния уред, с която е свързан барометричният кондензатор. Получената при кондензация на парите смес от кондензат и охлаждаща вода се отстраняват от кондензатора чрез барометричната тръба 2  и изтичат в резервоара 9. Некондензиралите газове се изсмукват от сухата вакуум помпа 8 през щуцера 5. При това тези газове увличат със себе си и течните капки, които трябва да се отстраняват, защото ако попаднат в сухата вакуум помпа бързо ще я износят. Отеделянето на тези течни капки се извършва в капкоуловителя 7. Течните капки се отделят и се връщат в барометричната тръба, а газовете се изхвърлят в атмосферата. Тарелките, които се поставят в кондензатора заемат около 70 % от сечението на корпуса му, а останалите 30 % от сечението, наречено живо сечение е за преминаване на парите.

Барометричната тръба 2 служи за хидравличен затвор между вътрешното пространство в кондензатора и околният въздух. За правилната работа на кондензатора тя винаги трябва да бъде потопена в резервоара 9, водният  разтвор в тръбата компенсира разликата в налягането, която съществува вън и вътре в кондензатора. При създаване на по–голям вакуум в кондензатора, нивото на водата в тръбата нараства. Тъй като нивото на водата в барометричната тръба определя стойността на вакуума, това се използува за автоматично регулиране на притока студена вода. При понижаване на нивото, автоматично се действува на винтила 11 за подаване на охлаждаща вода и притокът й се увеличава.

Изпаряване. Еднокорпусни изпарителни уредби

Изпарението е процес на концентриране на течни разтвори състоящи се от практически нелетливи вещества и летлив разтворител. Концентрирането се осъществява благодарение на отделяне на част от разтворителя чрез изпарение и кипене на разтвора. При изпарението и при кипенето разтворителя се отделя от целия обем на разтвора. При температури по–ниски от температурата на кипене на разтвора, също се изпарява част от разтворителя, но това изпарение се извършва само от повърхността на разтвора. Изпарението, при кипене на разтвора е по интензивно, то се извършва при т.нар. температура на кипене, при която налягането на парите е равно на налягането на околната среда. Температурата на кипене на разтвора зависи от вида на разтворителя, вида на разтвореното вещество и неговата концентрация и от налягането.

Количеството топлина, което се изразходва при дадена температура за изпарение на 1 kg течност, се нарича топлина на изпарение и ще я отбелязваме с r. С намаляване на температурата, топлината на изпарение нараства.

Топлината на изпарение на разтвори може да се осигури чрез най–различни топлоносители, но в различните производства най – широко приложение е добила водната пара, която се нарича първична пара. Отделената при изпарението на различни водни разтвори  - пара, за разлика от първичната пара се нарича вторична.

В зависимост от условията, при което се осъществява, изпарението бива:

• изпарение под вакуум – то е намерило най – широко приложение заради следните преимущества:
  • извършва се при по – ниски  температури, което е особено важно при концентриране на термоустойчиви разтвори.
  • увеличава се полезната температурна разлика между температурата на първичната пара и температурата на кипене на разтвора, което позволява да се намали топлообменната повърхност на апарата.

3. може да се използува топлоносител (първична пара) с по – ниски работни параметри (температура и налягане).

• използуването на вакуум позволява при многокорпусните изпарителни уреди да се използува като топлоносител и отделната вторична пара, с което се намалява разходът на първична пара.

Недостатъци на изпарението под вакуум е:

• при намаляване на налягането, нараства топлината на изпарение на разтвора (ниско налягане, висока топлина на изпарение), което води до увеличаване разхода на първична пара за изпарение на 1 kg разтворител (вода).
• изпарителните уреди са доста скъпи, защото са необходими допълнителни средства за апаратите създаващи вакуум в изпарителните уреди.

б) изпарение при налягане по – високо от атмосферното – използува се за концентриране на разтвори, устойчиви на високи температури. В този случай отделените вторични пари имат висока температура и налягане, и могат да се използуват за загряване на други апарати.

в) изпарение при атмосферно налягане – при този начин отделените вторични пари не се използуват и се изхвърлят в атмосферата. Това изпарение е най – просто, но същевременно и най – неикономично.

Изпарението може да се осъществи в периодично или непрекъснато действуващи апарати. Периодично действуващите апарати, обикновено се състоят от един единствен корпус, а непрекъснато действуващите са с повече от един корпус, в които вторичната пара на всеки корпус се използува за загряване на следващия корпус на уреда.

Еднокорпусни изпарителни инсталации.

Изпарителната инсталация е съвкупност от изпарителен апарат, кондензатор, помпи, топлообменни апарати, кондензоотделители, резервоари, тръбопроводи, измерителни и регулиращи прибори. Еднокорпусната изпарителна инсталация се състои само от един изпарителен апарат и необходимите към него спомагателни съоръжения. В повечето случаи еднокорпусната инсталация работи периодично под вакуум.

• изпарителен апарат (топлообменник с риза).
• кондензатор.
• барометрична тръба.
• капкоуловител.
• суха вакуумпомпа.
• тарелки.
• прегради.
• резервоар за сместа.
• кондензоотделител.
• вход на първичната пара.
• бъркалка.

Принципът на работа на периодичната еднокорпусна изпарителна инсталация е следният:

Запълва се корпусът 1 до определено ниво с начален разтвор. Загрява се с индиректна първична пара, която се подава в ризата през щуцера 10. Разбърква се с бъркалката 11, започва да кипи и отделените вторични пари се подават в барометричния кондензатор 2. Там се извършва тяхната кондензация с охлаждаща вода и се създава вакуум, а некондензиралите газове през капкоуловителя 4, чрез сухата вакуум помпа 5 се изхвърлят в атмосферата. След като се получи необходимата концентрация, което се установява чрез анализи на проби, взети от апарата, същият се спира от работа и се източва концентрираният разтвор. На паропровода подаващ първична пара има манометър за отчитане на налягането на парата и предпазен клапан за предотвратяване експлозията при неизправност. На самия корпус на изпарителя трябва да има вакуумметър за отчитане на вакуума, при който се работи. Топлообменното устройство на изпарителя освен с риза може да бъде кожухотръбен топлообменник с централна циркулационна тръба.

Материален и топлинен баланс на еднокорпусен изпарител

Материален баланс – с негова помощ се определя количеството на изпарената вода, крайната концентрация на разтвора и количеството на концентрирания продукт. Основният принцип на материалния баланс е, че количеството на сухото вещество в разтвора преди и след концентрирането е едно и също.

Gн – начално количество на разтвора.

Xн – концентрация на сухите вещества в началния разтвор, ( kg сухо вещество / kg разтвор ).

Xк – концентрация на сухите вещества в  концентрирания разтвор, ( kg / kg  ).

Gк – количество на концентрирания разтвор.

W – количество на изпарената вода.

Уравнението на материалния баланс е:

Gн = Gк + W

А по отношение на сухото вещество:

Gн.Xн = Gк.Xк, но Gк = Gн – W

Тогава:

 Gн.Xн = ( Gн – W ).Xк

От тук W се определя:

Gн.Xн = Gн.Xк - W.Xк

Gн.Xн - Gн.Xк = - W.Xк

W.Xк = Gн.Xк - Gн.Xн

W.Xк = Gн.( Xк – Xн )

W = [Gн.( Xк – Xн )] / Xк

W = Gн.[ 1 – ( Xн / Xк ) ]

1. Определя се количеството на вторичната пара (количеството изпарена вода):

 W = Gн.[ 1 – ( Xн / Xк ) ]

2. Определя се концентрацията на сухото вещество в концентрирания разтвор Хк:

Хк = ( Gн.Xн ) / ( Gн – W )

3. Определя се количеството на концентрирания разтвор:

Gк = ( Gн.Xн ) / Xк

Топлинен баланс на непрекъснато действуващ еднокорпусен изпарител.

Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 + Qзаг, W.

Q1 = Gн.Cн.tн – топлинен поток, постъпващ с началния разтвор, W.

Q2 = Дn.in – топлинен поток, постъпващ с парата, W.

Q3 = W.iвтn - топлинен поток, изнесен с вторичните пари, W.

Q4 = Gк.Cк.tк - топлинен поток, изнесен с концентрирания разтвор, W

Q5 = Дn.iконд. - Топлинен поток, изнесен с кондензата, W.

Gн.Cн.tн + Дn.in = W.iвтn + Gк.Cк.tк + Дn.iконд. + Qзаг.

Понеже специфичният топлинен капацитет на разтвора зависи линейно от концентрацията то:

Gк.Cк.tк = Gн.Cн.tк – W.Cв.tк

Gн.Cн.tн +Дn.in=W.iвтn+Gн.Cн.tк – W.Cв.tк + Дn.iконд

Дn.in–Дn.iконд.=Gн.Cн.tк – Gн.Cн.tн + W.iвтn–W.Cв.tк

Дn.(in – iконд.) = Gн.Cн. ( tк– tн ) + W.( iвтn – Cв.tк )

Дn=[Gн.Cн.(tк-tн)+W.(iвтn – Cв.tк)+Qзаг.] / (in–iконд.)

Дn – определя се количеството на първичната пара.

Ако се анализира горното уравнение могат да се направят следните изводи:

• Топлината на първичната пара се изразходва за загряване на изходния разтвор до tкип. за образуване на вторичната пара.
• За намаляване на разходите на първичната пара е необходимо изходният разтвор да се подава в изпарителя нагрят до tкип.
• Необходимо е външната повърхност на изпарителя да е покрита с топлинна изолация.

Ако:

Qзаг. = 0

In ­ iконд. = r` - топлина на кондензация на парата.

Iвтn ­ Cв.tк = r – топлина на изпарение на водата.

r` ≈ r

Ако разтворът постъпва загрят до tкип. то t и първото събираемо е равно на нула.

Тогава:

 Дn = ( W.r ) / r` ≈ W

Т.е. в еднокорпусен изпарител, за изпаряване на 1 kg вода се изразходва 1 kg първична пара.

  Многокорпусна изпарителна инсталация

В съвременните изпарителни уреди се изпаряват много големи количества вода , а в еднокорпусните апарати за изпарение на 1 kg вода се изразходва 1 kg пара. За изпарение на големи количества вода би било необходимо голямо количество първична пара. Обаче разходът на пара може значително да се намали, ако изпарението се провежда в многокорпусни уреди. Намаляване на количеството на първична пара е възможно, защото тя се използува за нагряване само в първия изпарител  на инсталацията, а в останалите изпарители се използва вторична пара, отделена от предишния изпарител.

Многокорпусните уреди могат да се класифицират въз основа на следните показатели:

• В зависимост от броя на корпусите биват: дву-, три-, четири- и повече корпусни.
• В зависимост от направлението на движение на разтвора и вторичните пари биват: правотокови, противотокови и със успоредно (паралелно) захранване на корпусите.

      Правотокова трикорпусна изпарителна инсталация:

Рв3 > Рв2 > Рв1

• помпа.
• топлообменник.
• кондензоотделители.
• първи изпарителен корпус.
• втори изпарителен корпус.
• трети изпарител.
• барометричен кондензатор.

На схемата е показана трикорпусна правотокова изпарителна инсталация. Тя е правотокова, защото разтворът и вторичната пара се движат от първия към последния корпус в инсталацията.

Неконцентрираният разтвор с помпа 1 се подава в топлообменника 2, където се загрява до температура на кипене  (tкип.) и се подава в първия корпус 4. Там този разтвор се загрява се загрява с първична пара и отделените при кипенето му вторични пари се използуват за загряване във втория корпус 5. От първия изпарител 4 разтворът концентриран до определена концентрация преминава във втория корпус 5, а от там и в третия  (последния) 6. Отделените от втория изпарител 5вторични пари се подават в третия корпус 6 за загряване на най – концентриращия се там разтвор. Отделените вторични пари от третия корпус 6, се подават в барометричния кондензатор 7 за създаване на вакуум. Важна характерна особеност на правотоковата изпарителна инсталация е, че най – висок вакуум има в последния корпус, непосредствено свързан с кондензатора и най – нисък вакуум има в първия корпус 4. Тази разлика в наляганията между отделните корпуси позволява разтворът да преминава от корпус в корпус без помпи, по самотек. И за нагряване на втория и третия корпус не е необходимо цялото количество вторични пари, и част от тях може да се използува за нагряване в други апарати (т.е. да се извежда част от вторичната пара). Тези отделени пари се наричат екстра пара.

Недостатъкът на правотоковата инсталация е по ниската температура в последния корпус, където концентрацията и вискозитета на разтвора е най – голям. В следствие на това интензивността на топлообмена в последните корпуси силно се понижава.

Противотокова трикорпусна изпарителна инсталация:

R1 ≈ R2 ≈ R3

При противотоковите инсталации, разтворът се движи от последния към първия корпус, а вторичните пари в обратна посока – от първия към последния. В следствие на повишаващото се налягане, преминаването на разтвора от корпус в корпус става с помоща на помпи. Това усложняване на инсталацията увеличава разходите им. Интензивността на изпарението е приблизително еднаква във всички корпуси, защото коефициентите на топлопреминаване се изменят много по – малко между отделните корпуси, отколкото при правотоковите. Това е така, защото в първия корпус, където разтворът е най – концентриран той се загрява с първична пара имаща най – високи параметри (температура и налягане), а в последния корпус е неконцентрираният разтвор, който се загрява с вторична пара имаща най – ниски параметри. Противотоковите инсталации се използуват за концентриране на разтвори, на които визкозитетът силно нараства с повишаване на концентрацията.