ВОПРОС № 3 Аппараты для нагревания пищевых сред

Классификация теплообменных аппаратов.

Теплообменные аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера и условий протекающих в них процессов. В связи с разнообразием требований в промышленности используются теплообменные аппараты различных типов, которые классифицируются:

♦ по назначению: для проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния рабочей среды (нагреватели, охладители), проведения теплопередачи с изменением агрегатного состояния рабочих сред (испарители, кипятильники, конденсаторы), одновременного проведения технологического кого процесса и теплопередачи (реакторы, абсорберы, теплообменники, встроенные в установки);

♦ роду рабочих сред: паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газо­жидкостные; газо-газовые;

♦ взаимному направлению движения рабочих сред: прямоточные, в кото­рых обе среды движутся в одном направлении; противоточные — обе среды движутся в противоположных направлениях; перекрестного тока — обе ра­бочие среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях; сме­шанного тока, в которых направления потоков рабочих сред возможны в различных сочетаниях (прямоток и противоток);

♦ характеру температурного режима в теплообменных аппаратах: ап­параты с установившимся тепловым режимом, в которых температура рабо­чей среды на данном участке поверхности теплообмена с течением времени не изменяется (теплообменники непрерывного действия); аппараты с неус­тановившимся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена изменяется с течением времени (теплообменники периодического действия);

♦ конструктивному признаку: типа «труба в трубе», кожухотрубные, ламельные, пластинчатые, змеевиковые, спиральные, пластинчато-ребрис­тые, оросительные, специальные (аппараты с рубашками, ребристые аппа­раты), комбинированные и др.

♦ принципу действия: рекуперативные (в них теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через эту стенку), регенеративные (в них рабочая поверхность попеременно омывает­ся различными теплоносителями: при омывании одним из теплоносителей она нагревается за счет его теплоты; при омывании ее другим теплоносите­лем она охлаждается, передавая теплоту последнему) и смесительные, в ко­торых передача теплоты происходит при непосредственном соприкоснове­нии и смешении теплоносителей.

Теплообменники типа «трубав трубе».Они представляют собой один или несколько теплообменных элементов, расположенных один под другим (рис.2).Каждый из элементов состоит из внутренней трубы 1 и охваты­вающей ее наружной трубы 2.

Внутренние трубы отдельных элементов соединены последовательно ко­ленами (калачами) 3. Наружные трубы соединены также последовательно патрубками 4. Теплоноситель I движется по внутренним трубам, теплоноси­тель II — по кольцевым каналам между трубами 1 и 2.

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки внут­ренних труб. В этих теплообменниках обеспечиваются высокая скорость теплоносителей (даже при малых расходах) и высокая интенсивность тепло­обмена. Однако эти теплообменники громоздки и металлоемки, поэтому их применяют преимущественно для проведения процессов нагревания или ох­лаждения при высоких давлениях. При необходимости создания большой площади поверхности теплообмена устанавливают несколько параллельно соединенных элементов.

Рис.2. Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»:

Кожухотрубные теплообменники.Это наиболее распространенный тип поверхностных теплообмен­ников. Они допускают создание больших поверх­ностей теплообмена в одном аппарате, просты в из­готовлении и надежны в работе.

Рис.3. Вертикальный кожухотрубный теплообменник с неподвижными трубными решетками:

Кожухотрубный вертикальный теплообменник с неподвижными трубными решетками (жесткой конструкции) состоит из цилиндрического корпу­са, или кожуха 1, к которому с двух сторон прива­рены трубные решетки 2 (рис.3). В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К кожуху с помо­щью фланцев присоединены болтами крышки 5. Для ввода и вывода теплоносителей к корпусу (ко­жуху) и крышкам приварены патрубки 4. Теплооб­менник устанавливают на опорных лапах 6. Один поток теплоносителя (I) направляется через патру­бок в нижнюю камеру, проходит по трубкам и вы­ходит через патрубок в верхней камере, т. е. дви­жется в трубном пространстве. Другой поток теплоносителя (II) вводится через верхний патру­бок на кожухе в межтрубное пространство теплооб­менника, омывает снаружи трубы и выводится че­рез нижний патрубок, т. е. движется в межтрубном пространстве. Теплота от одного теплоносителя к другому передается через стенки труб.

Теплоносители обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемый теплоноситель направляют снизу вверх, а теплоноситель, отдаю­щий теплоту, — в противоположном направлении. Такое направление движе­ния каждого теплоносителя совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Кроме того, при указанных направлениях движе­ния теплоносителей достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.

Существует несколько способов размещения труб в трубных решетках: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников, по сторонам и верши­нам квадратов и по концентрическим окружностям (рис.4). Эти способы диктуются требованием наибольшей компактности теплообменника.

Рис.4. Схемы размещения труб в трубных решетках:

Ламенарные теплообменники. Ламенарные теплообменники состоит из пакета сварных попарно пластин, образующих пучок плоских труб, вмонтированных в кожух (рис.5) пучок плоских труб заканчивается сварными трубными решетками. Прямоугольная в поперечном сечении форма трубного пучка применяется в аппаратах для небольших давлений. В этом случае конструкция теплообменника упрощена. Кожух имеет в сечении прямоугольную форму, соответствующую форме трубного пучка, причем плоские стенки кожуха приходится делать с ребрами жесткости.

Рис.5. Ламенарные теплообменники в корпусе прямоугольной (а) и цилиндрической (б) формы:

Цилиндрический кожух и соответствующая ему круглая в поперечном сечении форма трубного пучка способны лучше воспринимать нагрузки при более высоких давлениях. Для обеспечения полного заполнения круглого сечения цилиндрического кожуха ширина каждой плоской трубы должна соответствовать длине хорды, по которой устанавливается данная труба.

Пластинчатые теплообменники. Одними из перспективных видов теп­лообменных аппаратов являются пластинчатые. Основные требования к их конструкциям: обеспечение высокого коэффициента теплопередачи при наименьшем гидравлическом сопротивлении; минимальный расход материалов на единицу производительности аппарата; надежность и гер­метичность в сочетании с разборностью и доступностью к поверхности теп­лообмена для механической очистки ее от загрязнений; унификация узлов и деталей и технологичность механизированного изготовления разнооб­разных поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих тем­ператур и давлений.

Определяющей особенностью устройств пластинчатых теплообменных аппаратов является конструкция и форма поверхности теплообмена и кана­лов для рабочей среды. Поверхность теплообмена образуется из отдельных пластин, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи. Формы пластин и профили их по­верхности разнообразны, а конструкции довольно сложны. Пластины рас­полагают параллельно друг другу, причем между рабочими поверхностями двух смежных пластин создается небольшой зазор, образующий канал для рабочей среды, подвергаемой нагреванию или охлаждению. Пластины мо­гут быть плоскими, с гладкими стенками и иметь прямоугольную, квадрат­ную, круглую либо другую форму.

Малая толщина пластин и параллельная расстановка с малыми проме­жутками между пластинами позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно с такой «плотностью», которая недостижима в других типах жидкостных теплообменников. Это в конечном счете приводит к тому, что пластинчатые теплообменные аппара­ты обладают при равной тепловой нагрузке значительно меньшими габарит­ными размерами и металлоемкостью, чем аппараты типа «труба в трубе», кожухотрубные и др.

На теплопередающих стенках могут остаться различные отложения, ко­торые препятствуют процессу теплопередачи. Кроме того, при тепловой об­работке термически нестойких продуктов на стенках образуется пригар. В этих случаях необходимо часто разбирать аппарат для очистки поверхности теплообмена от слоя пригара, осадка или остатков продукта. Пластины в этих аппаратах имеют прокладки для уплотнения межпластинных каналов при сборке всей системы.

От формы, размеров и конструктивных особенностей пластин зависят ин­тенсивность теплоотдачи, надежность аппарата, технологичность его изго­товления и эксплуатационные данные.

Особенности конструкции пластины определяются конструкцией гофров или профилем рабочей теплообменной стенки; формой угловых отверстий для подвода и отвода рабочих сред с целью снижения гидравлического со­противления участков входа и выхода; уплотнительной системой; системой подвески пластин на раме аппарата и фиксации положения пластин в паке­те; устройством для безопасного обслуживания пакета пластин; устройс­твом вспомогательных конструктивных элементов пластины, повышающих жесткость собранной системы, способствующих технологичности изготовле­ния, создающих удобства обслуживания и ремонта и т. д.

Теплопередающие пластины классифицируются по форме профиля рабо­чей поверхности:

♦ на плоские;

♦ узкоканальчатые (со спиральными фрезерованными каналами, с зигза­гообразными фрезерованными каналами, с зигзагообразными штампован­ными каналами, конические со спиральными каналами);

♦ с турбулизирующими вставками;

♦ на ленточно-поточные (с плоской рабочей поверхностью, с простыми горизонтальными гофрами, с рифлеными горизонтальными гофрами);

♦ сетчато-поточные (с прерывистыми турбулизаторами, с непрерывными турбулизаторами).

Рис.6. Теплообменные пластины:

Рис.7. Схемы простейших аппаратов с различными типами пластин: