Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : C:\Program Files\Company\Трактори і автомобілі\ЛОГОТИП.jpg

Процеси і апарати харчових виробництв

Електронний підручник

Головна

Теоретичні відомості

Лабораторні та практичні роботи

Тести

Додатки

Список використаних джерел

 

5.3 Теплообмінники

 

1.                Класифікація теплообмінників.

2.                 Конструкції та область застосування. Основні вимоги до теплообмінників.

3.                Визначення поверхні теплообміну.

 

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 та область застосування. Основні вимоги до 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

Опис : кожухотрубний1Опис : кожухотрубний

 

Рис. 2. Загальний вигляд кожухотрубного теплообмінника

 

Опис : кожухотрубний2

Рис. 3. Схема роботи кожухотрубного теплообмінника

 

 

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.5. 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. 5. 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.6.) 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.  

Опис : труба втрубі

Рис. 6. Теплообмінник типу «труба в трубі»

Опис : труба в трубіОпис : труба втрубі1

Опис : труба втрубі2

Рис.7. Загальний вигляд теплообмінника типу «труба в трубі»

Опис : truba-v-trube-teploobmennik

Рис.8. Загальний вигляд і принцип роботи теплообмінника 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.9.). 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.9. Змійовиковий теплообмінник

Опис : змієвиковий Опис : змієвитковий1

Рис.10. Загальний вигляд змієвикового теплообмінника

Зрошувальний теплообмінник - це змійовик 2 (рис.11.), 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. 11. Зрошувальний теплообмінник

Опис : зрошувальний

Рис. 12. Загальний вигляд зрошувального теплообмінника

                                                                                                                         

                            а                                                          б

Рис. 13. а- спіральний теплообмінник;  б – пластинчастий теплообмінник.

 

У спіральному теплообміннику поверхня теплообміну утворю­ється двома металевими листами 1 і 2, згорнутими у вигляді спіралі (рис.13,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 300°С при тиску до 1,6 МПа (рис.13,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.

Опис : 2-795-45-31014-teploobmennik-plastinchatyj-razbornyj-funke-266x177

Рис. 14. Загальний вигляд пластинчастого теплообмінника

 

Опис : gkfcnbyfОпис : пластина

Рис. 15. Вигляд пластин пластинчастого теплообмінника

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.16.): 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.

Рис. 16. Схема роботи і температурний графік пластинчастого пастеризатора

 

Опис : пластинчастий2Опис : пластинчастий4

Рис. 17.Будова і принцип роботи і пластинчастого теплообмінника

 

Опис : пластинчастий3

Рис. 18. Будова  пластинчастого теплообмінника

   Пластинчастий пастеризатор, схему якого надано на рис.19, 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.

Опис : images

Рис. 19. 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 м23, 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.

 

3.               Визначення поверхні теплообміну

Розрізняють два види розрахунку теплообмінників: проектний і перевірний. Проектний розрахунок виконується при проектуванні нового теплообмінника, коли задано кількість продукту, що охоло­джується або нагрівається, і його параметри. Мета проектного розра­хунку - визначення необхідної поверхні теплообміну, витрати тепло­носія або холодоагенту, конструктивних розмірів вибраного апарата, його гідравлічного опору та механічної міцності.

За допомогою перевірного розрахунку виявляють можливість вико­ристання наявних теплообмінників в умовах заданого процесу і визна­чають умови, що забезпечують оптимальний режим роботи апарата.

Проектний розрахунок включає вибір типу і конструкції тепло­обмінного апарата, тепловий, конструктивний, гідравлічний, ме­ханічний та техніко-економічний розрахунки.

Тепловий розрахунок теплообмінників полягає у визначенні не­обхідної поверхні теплообміну з основного рівняння теплопередачі

Теплове навантаження теплообмінника визначають з рівняння теплового балансу. Рівняння теплового балансу в загальному вигляді без обліку втрат теплоти в довкілля (що звичайно не перевищують 5 %), виражається рівністю

 

   Q = Qприх = Qвит.

де Q прих  - кількість теплоти, відданої гарячим теплоносієм, Вт; Qвит - кількість теплоти, одержаної холодним теплоносієм, Вт.

Залежно від конкретного процесу теплові баланси мають різний вигляд.

Як приклад розглянемо випадок, коли теплообмін протікає без зміни агрегатного стану теплоносіїв. Тоді

 

Qприх = G1c1 (t1nt1k)

 

Qвит. = G2c2 ( t2kt2n)

 

де G1- витрата гарячого теплоносія, кг/с; С1 - середня питома те­плоємність гарячого теплоносія, Дж / (кг К);  t1n  і t - початкова і кінцева температури гарячого теплоносія, °С; G2 - витрата холодного теплоносія, кг/с; с2 - середня питома теплоємність холодного тепло­носія,

Дж / (кг-К);  t і t - температура холодного теплоносія на вході в апарат і на виході з нього, °С.

Таким чином, рівняння теплового балансу набуде вигляду:

 

G1c1 ( t1n – t1k) = G2c2 ( t2k – t2n)

 

З рівняння теплового балансу визначають витрату теплоносіїв або невідому температуру одного з теплоносіїв. Наприклад, якщо невідома витрата холодного теплоносія (для холодильників), вона визначається як:

 

За необхідності визначення кінцевої температури гарячого теп­лоносія, отримаємо:

t1k =  t1n - 

 

Контрольні запитання

 

1.                Які пристрої називаються теплообмінними?

2.                Як класифікують теплообмінні апарати?

3.                Які рекуперативні теплообмінники використовують у харчовій промисловості?

4.                Які теплоносії використовують у теплових апаратах?

5.                Які вимоги ставляться до теплообмінників?

6.                Перерахуйте переваги кожухотрубних теплообмінників?

7.                Перерахуйте основні вузли одноходового теплообмінника.

8.                Поясніть принцип дії одноходового теплообмінника.

9.                Поясніть особливості будови пластинчастого теплообмінника.

10.              Поясніть принцип роботи теплообмінника типу «туба в трубі».

11.              Поясніть особливості будови зрошувального теплообмінника.

12.              Поясніть принцип роботи змієвикового теплообмінника.

13.              З чого починають розрахунок теплообмінника?

14.              Які вимоги ставляться до теплообмінних апаратів?

Попередня тема

На початок

Наступна тема