Процеси і апарати харчових виробництв

Електронний підручник

Головна

Теоретичні відомості

Лабораторні та практичні роботи

Тести

Додатки

Список використаних джерел

 

Лабораторне заняття №4

 

Тема роботи: Вивчення роботи теплообмінних апаратів

 

Мета заняття: Вивчити загальну будову і робочий процес у теплообмінних апаратах, а також окремих їх елементів.

 

Матеріали та обладнання

1.                       Інструктивна картка виконання лабораторного заняття №4.

2.                       Моделі, макети або схеми теплообмінних апаратів.

 

Література

Гулий У.С. та інші. Обладнання підприємств переробної і харчової промисловості. – Вінниця.:Нова книга, 2001. – с.

Малежик  І.Ф., Циганков П.С.  Процеси і апарати харчових виробництв. – К.: НУХТ, 2003. – с.

   Мирончик В.Г., Орлов Л.О., Українець А.І., Пушанко М.М.,Гуцалюк В.М., Яровий В.Л., Заєць Ю.О., Даценко М.М., Заплетинков У.М. Розрахунки обладнання підприємств переробної і харчової промисловості. Навчальний посібник. – Вінниця.: Нова книга, 2004. – с.

Поперечний  А. М., Черевко О.І., Гаркуша В.Б., Кирпеченко Н.В., Ласкіна Н.А.  Процеси і апарати харчових виробництв. – К.: Центр учбової літератури, 2007. – с.

 

Знати: призначення, класифікацію, будову та принцип роботи різних типів теплообмінних апаратів.

 

Вміти: підбирати, здій теплообмінні апарати,  здійснювати їх обслуговування.

 

Короткі відомості з теоретичної частини роботи

1. Класифікація теплообмінників

Теплообмінники - це пристрої, в яких здійснюється теплообмін між середовищами, які гріють, і середовищами, які нагріваються. Для того щоб розібратися в різноманітті теплообмінників, їх класифіку­ють за певними ознаками.

У теплообмінних апаратах здійснюються майже всі види тепло­вих процесів, тому залежно від виконуваних функцій їх поділяють на такі основні групи: нагрівачі, випарники і кип'ятильники, холодиль­ники і конденсатори, випарні апарати, пастеризатори, регенератори, деаератори та ін.

Залежно від виду робочих середовищ розрізняються тепло­обмінники:

-  рідинно-рідинні - при теплообміні між двома рідкими середо­вищами;

- парорідинні - при теплообміні між парою і рідиною;

- газорідинні — при теплообміні між газом і рідиною.

За способом передачі теплоти розрізняються теплообмінники по­верхневі і змішувальні.

У поверхневих теплообмінниках відбувається передача теплоти через поверхню нагрівання. У змішувальних теплообмінниках здійснюється обмін теплотою при безпосередньому змішуванні теп­лоносіїв. Поверхневі теплообмінники бувають рекуперативні та реге­неративні.

У рекуператорах теплоносій і продукт, між якими відбувається теплообмін, знаходяться по різні боки стінки, що їх розділяє. В реге­нераторах одна й та же поверхня апарату омивається почергово то теплоносієм, то продуктом. Ці теплообмінники в харчовій промисло­вості значного поширення не отримали. Тому далі під назвою "по­верхневі теплообмінники" або просто "теплообмінники" будемо ро­зуміти рекуперативні теплообмінники.

За тепловим режимом розрізняються теплообмінники періодичної дії, в яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес, і безперервної дії з процесом, що встановився в часі.

За конфігурацією поверхні теплообміну розрізняються тепло­обмінники: трубчасті, пластинчасті, спіральні, оболонкові і з оребреною поверхнею. Трубчасті теплообмінники, в свою чергу поділяються на кожухотрубні, змієвикові, типу "труба в трубі", еле­ментні секційні, зрошувальні і комбіновані.

Окрім наведених основних класифікаційних ознак тепло­обмінних апаратів, їх можна класифікувати за додатковими ознаками. Так за напрямом руху робочих середовищ розрізняють тепло­обмінники прямоточні, протитечійні, з перехресною течією і зі змішаною течією; за числом ходів теплоносія розрізняють тепло­обмінники одноходові і багатоходові; за жорсткістю конструкції -теплообмінники жорсткого, напівжорсткого і нежорсткого типу.

Кожухотрубні теплообмінники можуть бути виготовлені одно-, дво-, чотири-, шестиходовими по трубному простору, з перегородка­ми або без них у міжтрубному просторі.

2. Конструкції теплообмінників

Теплообмінники із оболонками часто застосовуються для періодичного нагрівання або охолоджування (наприклад, для підігрівання і уварювання кондитерських мас). Технологічний процес у них може здійснюватися під тиском (автоклави), розрідженням (ва­куум-апарати) і при атмосферному тиску (варильні котли). Апарати мають циліндричні, сферичні або плоскі подвійні стінки, що утворюють герметично замкнутий простір - водну або парову оболонку. Для інтенсифікації теплообміну з боку продукту, що обробляється, апарати можуть обладнуватися механічними мішалками, а для виван­таження продукту - пристроєм для перевертання. Звичайно апарати з паровою оболонкою працюють під тиском, що не перевищує 0,5 МПа. Кожухотрубні теплообмінники отримали в промисловості найбільше застосування завдяки своїй компактності, простоті у виго­товленні та надійності в роботі. Вони використовуються для тепло­обміну між потоками в різноманітних агрегатних станах: пара-рідина, рідина-рідина, газ-газ, газ-рідина. На рис.1  показано вер­тикальний одноходовий теплообмінник жорсткої конструкції, що складається з циліндричного корпусу (або кожуха) 1 і приварених до нього трубних решіток 2 з пучком труб 3.

Пучок труб ділить весь об'єм корпусу теплообмінника на трубний простір,       укладений       всередині гріючих   труб,   і   міжтрубний.   До корпусу    приєднані    з    допомогою болтового сполучення два днища 5. Для       введення       і       виведення теплоносіїв корпус і днища мають патрубки 4. Один потік теплоносія, наприклад рідина, спрямовується в трубний    простір,    проходить    по трубках і виходить з теплообмінника через патрубок у верхньому днищі. Інший потік теплоносія, наприклад пара,    рухається    у    міжтрубному просторі теплообмінника, омиваючи ззовні   пучок   гріючих   труб.   При цьому    середовище,    що    гріється, спрямовують      знизу      вгору,      а середовище, що віддає теплоту,- в протилежному напрямі.

Рис. 1 . Кожухотрубний теплообмінник

 

   Гріючі труби з'єднуються з трубними решітками зварюванням, пайкою або розвальцьовані в ній. Гріючі труби виробляють зі сталі, міді або латуні. Труби в решітках звичайно розміщують рівномірно по периметрах правильних шестикутників, що забезпечує ком­пактність розташування. Інколи труби розміщують по концентричних колах. За необхідності забезпечення очистки зовнішніх поверхонь труб застосовують коридорне розташування - по боках квадратів. Внаслідок великого сумарного прохідного перерізу труб і міжтрубного простору швидкості протікання теплоносіїв невеликі і коефіцієнти тепловіддачі в цьому теплообміннику порівняно низькі. Для збіль­шення швидкості протікання (інтенсифікації теплообміну) в трубно­му і міжтрубному просторах встановлюють перегородки, зменшуючи переріз потоку теплоносіїв. На рис.2 подано такий багатоходовий теплообмінник, що має два ходи по трубному простору і п'ять ходів по міжтрубному.

Кожухотрубні теплообмінники розташовуються вертикально або горизонтально. При різниці темпе­ратур між теплоносіями понад 50°С за рахунок неоднакових темпера­турних подовжень у зварювальних швах приєднання кожухів до труб­них решіток, а також у місці приєднань труб у решітках виника­ють значні напруження, що можуть перевищити межу міцності матеріалу. В результаті з'являються нещільності, порушується герметичність.

Рис. 2. Багатоходовий кожухотрубний теплообмінник з U – подібними трубками

 

Для компенсації неоднако­вого подовження труб і корпусу апарата застосовують конструкції теплообмінників з лінзовими компенсаторами, з плаваючою голівкою, з U - подібними трубами (рис.2.), а також із сальнико­вими пристроями. Поверхня нагрівання кожухотрубних тепло­обмінників може становити до 1200 м2 при довжині труб від 1 до 9 м; умовний тиск досягає 6,4 МПа.

Елементні теплообмінники. Найпростіший двотрубний теплообмінник типу "труба в трубі" (рис.3) складається з двох труб: внутрішньої 1 меншого діаметра і зовнішньої 4 більшого діаметра, Звичайно з'єднують послідовно один з одним у батарею декілька таких простих теплообмінних еле­ментів за допомогою фланцевих  з’єднань 3 і колін 2. 

Рис. 3. Теплообмінник типу «труба в трубі»

 

У двотрубних теплообмінниках  можна створити високі швидкості теплоносія і продукту. У зв'язку з цим апарати характеризуются порівняно високим коефіцієнтом теплопередачі. Од­нак ці теплообмінники громіздкі і металомісткі.

Змійовиковий теплообмінник. Теплообмінний елемент - змійо­вик - це труба 1, зігнута будь-яким чином і поміщена в посуди­ну 2. Змійовик занурено в рідину, що нагрівається або охолоджуєть­ся теплоносієм, який рухається по змійовику (рис.4). Змійовикові теплообмінники виготовляються з плоским змійовиком або зі змі­йовиком, зігнутим по гвинтовій  лінії. У змійовиковому вакуум-апараті для уварювання кондитерських мас по змійовику проходить продукт. Ці теплообмінники відрізняються простотою конструкції. Проте у них ускладнено очищення внутрішньої поверхні зігнутої труби, змійовик створює великий гідравлічний опір.

Рис.4. Змійовиковий теплообмінник

Зрошувальний теплообмінник - це змійовик 2 (рис.5), зігнутий у вертикальній площині, розподільний жолоб з отворами І та піддон 3. Рі­дина з розподільного жолоба витікає на верхній виток, омиває зовнішню поверхню труб змійовика і стікає в піддон під змійовиком.     Залежно від температури середовища, що протікає всередині змійовика, рі­дина, що омиває трубки, нагріва­ється або охолоджується. Позити­вна якість цих теплообмінників полягає в простоті обслуговуван­ня і невеликій витраті охолоджу­вального агента (води), що вико­ристовується багаторазово. Не­доліки зрошувальних тепло­обмінників: громіздкість, значна металомісткість та низькі значення ко­ефіцієнта теплопередачі. Застосовуються для охолоджування пива, мо­лока та інших рідин, у холодильній техніці — як конденсатор.

Рис. 5. Зрошувальний теплообмінник

 

                                         

                                                                                                               

                            а                                                                                  б

Рис. 6. а- спіральний теплообмінник;  б – пластинчастий теплообмінник

 

У спіральному теплообміннику поверхня теплообміну утворю­ється двома металевими листами 1 і 2, згорнутими у вигляді спіралі (рис.6,а). Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки З, а їхні зовнішні кінці зварені один з одним. Торці спіралі закриті вста­новленими на прокладках плоскими кришками 4. Біля зовнішніх кін­ців спіралей та в центрі кришки приварені патрубки для введення і виведення теплоносіїв. Спіральний теплообмінник має високий кое­фіцієнт теплопередачі, незначний гідравлічний опір і відзначається компактністю. Однак він складний у виготовленні і непридатний для роботи під тиском понад 1 МПа.

Пластинчасті теплообмінники широко застосовуються для охоло­джування і підігрівання різноманітних рідин (молока, соків, вина, пива та ін.) з робочими температурами до З00°С при тиску до 1,6 МПа (рис.6,б). Теплообмінник складається з пакету гофрованих метале­вих пластин. Між пластинами утворюються герметичні канали 1, у яких здійснюється протитечійний рух гарячого і холодного теплоносі­їв. Пластини гофровані для того, щоб збільшити поверхню теплооб­міну і створити турбулентну течію рідини в вузьких каналах, від­стань між якими дорівнює 3-10 мм. Пластини відокремлюються одна від одної прокладками 2 і мають два отвори по кутах для входу і ви­ходу одного теплоносія, що циркулює в герметичному каналі. Через два інших кутових отвори в пластині втікає і витікає інший теплоно­сій. Пластини стягнуті затискачами.

Значне поширення в харчовій технології має пастеризація в без­перервному потоці, при якій продукт подається насосами в тепло­обмінні апарати пластинчастого або трубчастого типів. У пластинчастих пастеризаторах по ходу руху рідини, що обробляється (по секціях) здійснюються такі проце­си (рис.7):

 

Рис. 7. Схема роботи і температурний графік пластинчастого пастеризатора

 

часткове нагрівання продукту, що надходить, теплотою вихідного (пастеризованого) продукту (секція рекуперації теплоти); нагрівання продукту гарячою водою або парою до заданої темпера­тури (секція пастеризації); витримка протягом деякого часу нагрітого продукту при температурі пастеризації (секція витримки); охолоджу­вання вихідного продукту з передачею теплоти продукту, що надхо­дить, на нагрівання {секція рекуперації теплоти); охолоджування про­дукту холодною водою (секція охолоджування водою); охолоджування продукту розсолом (секція охолоджування розсолом). Кожну секцію пластинчастого пастеризатора утворено пакетами з декількох пластин. Як правило, пастеризація і охолоджування здійснюються при автома­тичному регулюванні технологічного процесу.

   Пластинчастий пастеризатор, схему якого надано на рис.8 , складається з групи сталевих теплообмінних штампованих пластин б, підві­шених на горизонтальних штангах 7, кінці яких закріп­лено в стійки 3 і 9. За допомо­гою натискної плити 8 та гвин­та 10 пластини в зібраному стані стиснуті в один пакет. На схемі для більш ясного зобра­ження потоку рідини показані тільки п'ять пластин у розімкнутому положенні. У дійсності пластини в робочому положенні щільно притиснуті одна до одної на гумових прокладках 4 і 5.

Рис. 8. Схема пластинчастого пастеризатора

 

   Пластини мають однакові габарити, але відрізняються розташуван­ням вхідних і вихідних каналів 11 та 12. Під час збирання пластини чер­гуються та утворюють ряд замкнених камер, по один бік яких проходить продукт, що пастеризується, а по інший - охолоджуюча або гріюча рідина. У зібраному апараті теплообмінні пластини групуються в секції (рекуперації, пастеризації, охолоджування). Кожна секція складається з пакетів, через які продукт рухається також послідовно.

   Використання теплоти, яку накопичив оброблюваний продукт після секції пастеризації в секції рекуперації для підігрівання матеріалу, що надходить, значно скорочує витрати теплоти на пастеризацію і витрату охолоджуючої води. Показником, що характеризує економічність робо­ти такого апарата, є коефіцієнт регенерації теплоти:

 

де Qp - кількість теплоти, використаної в секції рекуперації, Вт; Q - загальна кількість теплоти, витрачена на підігрівання продукту від початкової температури до температури пастеризації, Вт; G - ма­са продукту, що нагрівається кг/с; с - середня питома теплоємність продукту, Дж/(кг-К); t1 - початкова температура продукту,°С; t2 - температура продукту після підігрівання в секції рекуперації, °С;   t3  - температура пастеризації, °С.

Коефіцієнт регенерації протитечійних пластинчастих пастериза­торів складає: Е=0,7-0,8.

Внаслідок високих швидкостей руху рідини між пластинами до­сягається високе значення коефіцієнта теплопередачі з малим гідрав­лічним опором.

Паралельне розташування плоских пластин з малими проміжка­ми між ними дає змогу розмістити в просторі робочу поверхню теп­лообмінника найбільш компактно, завдяки чому значно зменшуються габарити пластинчастого апарата порівняно з іншими типами рідин­них теплообмінників. Наприклад, коефіцієнт компактності пластин­частих апаратів (відношення робочої поверхні до об’єму робочої зо­ни) досягає 200 м2/м3, що в 5-10 разів більше, ніж для трубчастих.

Відзначимо, що пластинчастий теплообмінник надає конструкто­ру і виробникові великі можливості по здійсненню різноманітних компонуючих варіантів і легко припускає збільшення (або зменшен­ня) робочої поверхні апарата, який знаходиться в експлуатації. Він припускає вільне внесення різноманітних коригувань у схемі руху потоків і дає змогу зосереджувати на одній станині теплообмінні сек­ції різноманітного призначення для виконання в одному апараті усьо­го комплексу операцій теплового оброблення продуктів, що є над­звичайно важливим фактором.

Випускаються різноманітні модифікації теплообмінників цього типу з пластинами зі сталі різних марок, алюмінію, титану та інших металів, розбірної та нерозбірної конструкцій з поверхнями теплооб­міну від 0,4 до 600 м2.

У харчовій промисловості для віджимання рідин використовують преси найрізноманітніших конструк­цій періодичної та безперервної дії. їх поділяють на такі групи: механічні, гідравлічні та пневматичні. Найбільше користуються гідравлічним пресом. Він діє періодично і приводиться у рух за допомогою рідини, яка нагніта­ється насосом високого тиску. Засто­совують прес із двома або трьома платформами, одна з яких знаходиться під тиском, а інші - на розвантаженні вичавок і завантаженні м'язги.

Порядок виконання

 

Завдання 1. Заповнити таблицю.

Таблиця 1.

Характеристика теплообмінників

 

№

п\п

Назва теплообмінника

Призначення теплообмінників

Особливості будови

Формула для визначення продуктивності

 

 

 

 

 

 

 

 

Завдання 2. Описати будову кожухотрубного теплообмінника, вказати позиції і технологічний процес роботи.

Рис.8. Кожухотрубний теплообмінник

 

Завдання 3. Зобразити схему теплообмінника типу «труба в трубі», вказати позиції, описати його будову і технологічний процес роботи.

 

Завдання 4. Описати принцип роботи змієвикового теплообмінника та регулювання у ньому температурного режиму.

 

Контрольні питання

1.                       Як класифікують теплообмінні апарати?

2.                       Які конструкції теплообмінних апаратів використовують у м’ясній промисловості?

3.                       Які особливості будови кожухотрубного теплообмінника?

4.                       Як розрізняють теплообмінники за способом передачі теплоти?

5.                       Як розрізняються тепло­обмінники залежно від виду робочих середовищ?

6.                       Як розрізняються тепло­обмінники за конфігурацією поверхні теплообміну?

7.Поясніть будову і принцип роботи спірального теплообмінника?

8.Де використовують пластинчасті теплообмінники?

9.Поясніть будову і принцип роботи змієвикового теплообмінника?