В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении теплоносителей. Типичным примером такого теплообменника является барометрический конденсатор (см. раздел 8.3).
При расчете барометрического конденсатора определяют расход охлаждающей воды , размеры корпуса и число полок, размеры барометрической трубы и количество воздуха, подлежащего откачиванию вакуум-насосом.
Пренебрегая теплом с уходящим воздухом, расход воды на полную конденсацию пара в количестве определяют из теплового баланса
,
откуда
,
где – энтальпия пара; и – начальная и конечная температуры воды.
Диаметр корпуса конденсатора определяют по известному объему пара при рабочем давлении в конденсаторе и скорости движения пара в свободном сечении корпуса, равной 18–22 м/с. Сечение патрубков на корпусе конденсатора рассчитывают в зависимости от следующих скоростей: для пара, входящего в конденсатор, – 40 ÷ 50 м/с; для воздуха – 12 ÷ 15 м/с; для охлаждающей воды – 1,0 ÷ 1,2 м/с; для барометрической воды – 0,3 ÷ 0,5 м/с. Конструктивно расстояние между полками принимают одинаковым:
,
где – диаметр корпуса конденсатора.
Конечную температуру барометрической воды, выходящей из конденсатора, принимают на 3–4 °С ниже температуры насыщения.
Необходимое число полок конденсатора можно рассчитать по формуле
,
где – температура насыщенного пара; – температура воды на выходе из первой полки.
Температуру можно рассчитать из соотношения
,
где – эквивалентный диаметр плоской струи; и – ширина и толщина струи; – скорость истечения струи, ; – расход барометрической воды.
Высота барометрической трубы (от уровня воды в барометрическом сборнике до парового патрубка в корпусе):
.
Здесь – разрежение в конденсаторе, кПа; 102 – давление в кПа, соответствующее 760 мм рт. ст.; – скорость воды и конденсата в барометрической трубе (принимают 0,3 ÷ 0,5 м/с); – сумма коэффициентов сопротивления на входе воды в трубу и на выходе из нее (принимают ); – коэффициент сопротивления трению (); – внутренний диаметр барометрической трубы.
В последнем уравнении первая составляющая – высота столба воды в трубе, необходимая для уравновешивания атмосферного давления, вторая составляющая – напор, необходимый для преодоления сопротивлений в барометрической трубе и сообщения воде скорости . Высота 0,5 м прибавляется для того, чтобы при увеличении вакуума вода не заливала паровой патрубок конденсатора и не попадала в примыкающий к нему аппарат.
Диаметр барометрической трубы находят из уравнения расхода смеси конденсата пара и воды , движущейся по ней,
( – плотность воды в барометрической трубе).
Для определения количества воздуха , откачиваемого из конденсатора вакуум-насосом, пользуются эмпирической формулой
,
объем отсасываемого воздуха
,
где – газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·К); – температура воздуха, ; – парциальное давление воздуха, ( – общее давление в конденсаторе – парциальное давление пара, равное давлению насыщения при температуре ).