15.10. Техника будущего: Новые технические решения технологических задач

Многоходовой регенеративный трубчатый теплообменник для тепловой обработки пищевых жидкостей (Пат. № 2110181 РФ, А23 С3/02) предназначен для реализации более эффективного процесса теплообмена, улучшения энергетических и массогабаритных характеристик установок, содержащих устройства для тепловой обработки жидких пищевых продуктов.

На рис. 15.50 изображен предлагаемый теплообменник, который цилиндрический корпус 1 со слоем теплоизоляции 2, имеющий патрубки 3 и 4 для вывода межраструбной среды, трубные доски 5, в которых закреплены теплообменные трубы 6 и 7, прокладки 8…10 из эластичного материала, трубные решетки 11 и 12, торцевые крышки 13, имеющие патрубки ввода 14 и вывода 15 охлаждаемой среды. На одной из труб 6 выполнен патрубок 16 ввода нагреваемой трубной среды, а на одной из труб 7 – патрубок 17 ее вывода. Эластичные прокладки 8 и 10 имеют выемки 18 и 19, соединяющие рядом расположенные трубы и служащие для перетока, соответственно, нагреваемой и охлаждаемой трубной среды. Эластичные прокладки 10 имеют также выемки 29, соединяющие рядом расположенные трубы и служащие для ввода или вывода охлаждаемой трубной среды соответственно через патрубки 15 и 14, расположенные на крышках 13, которые с помощью хомутов 20 прижимают к трубным доскам 5 эластичные прокладки 10, 9 и 8 и трубные решетки 11 и 12. С помощью конических выступов 21 и 22 в эластичных прокладках 8 и 9 обеспечивается уплотнение трубного потока, протекающего в трубах 6, 7 и трубе 23. Трубные решетки 11 и 12 имеют с одной стороны своей поверхности конические выемки 24 и 25, повторяющие по форме выступы 20 и 21 в прокладках 8 и 9, но имеющие несколько меньшую глубину, которые при прижиме торцевых крышек 13 к трубным доскам 5 обеспечивают надежную герметичность пространства, с другой стороны своей поверхности имеют выфрезированные канавки 26 глубиной 1,0…1,5 мм, проходящие произвольным образом через все отверстия в трубных решетках 11 и 12. Создаваемый канавками 26 зазор позволяет контролировать герметичность уплотнений в трубных решетках 11 и 12 и, благодаря сообщению его с атмосферой, полностью исключает возможность контакта теплообменивающихся потоков нагреваемой и охлаждаемой трубной среды в результате случайной разгерметизации соединений в трубной решетке. Внутри цилиндрического корпуса 1 в межтрубном пространстве 27 размещены перегородки 28, в которых выполнены в виде сегментов окна, равные по площади проходному сечению патрубка 3, через который подается межтрубный теплоноситель. Перегородки 28 с окнами располагаются в межтрубном пространстве 27 таким образом, чтобы обеспечить зигзагообразное движение межтрубного теплоносителя.

Рис. 15.50. Многоходовой регенеративный трубчатый теплообменник

Рассматриваемый теплообменник работает следующим образом. Продукт на тепловую обработку подается через входной патрубок 16 и одним или несколькими параллельными потоками протекает сначала через все кольцевые зазоры 30, образованные теплообменными трубками 6 и 23, а затем через все одиночные теплообменные трубы 7. На выходе продукт разделяется на два параллельных потока в теплообменной трубе 6, на которой выполнен патрубок 16. Из одного кольцевого зазора 30 или из одной трубы 7 в другую продукт перетекает через выемки 18 в эластичных прокладках 8. В одной из труб потоки (если их несколько) соединяются и выводятся через выполненный на этой трубе выходной патрубок 17.

Прошедший тепловую обработку продукт, вышедший из патрубка 17, в горячем состоянии подается в патрубок ввода 14, расположенный на одной из торцевых крышек 13, который сообщается с выемкой 29 в эластичной прокладке 10. При этом горячий продукт разделяется на несколько параллельных потоков и протекает через все теплообменные трубы 23, нагревая через стенку этой трубы протекающий по кольцевому зазору 30 холодный продукт. Из одной трубы 23 в другую горячий продукт перетекает через выемки 19 в эластичной прокладке 10. После прохождения потоками всех теплообменных труб 23 они соединяются в выемке 29 и выводятся из теплообменника через патрубок 15, расположенный на крышке 13. Подача продукта в теплообменник на тепловую обработку через штуцер 16 и подача на охлаждение горячего продукта через штуцер 14 выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось движение теплоносителей в элементах пучка «труба в трубе» по схеме противотока. Межтрубный теплоноситель (например, пар) подается в патрубок 3 и через окна в перегородках 28 движется зигзагообразно по секциям корпуса 1 теплообменника. Контактируя с поверхностью труб 6 и 7, теплоноситель нагревает протекающий в кольцевом зазоре 30 и трубе 7 продукт и выводится через патрубок 4.

Многоходовой регенеративный трубчатый теплообменник для тепловой обработки пищевых жидкостей, отличается тем, что, часть теплообменных труб выполнена в виде элементов типа «труба в трубе». На концах внутренних труб между эластичными прокладками, прикрепленными к трубным доскам, и торцевыми крышками, имеющими патрубки для ввода и вывода нагревающей трубной среды, установлены две трубные решетки, трубная эластичная прокладка и прокладка с выемками для перетока нагревающей трубной среды из труб одного хода в трубы другого. Кроме того, рассматриваемый теплообменник отличается тем, что трубные эластичные прокладки со стороны трубных решеток имеют конические выступы, уплотняющие внутренние из элементов «труба в трубе» теплообменные трубы. Трубные решетки со стороны трубных эластичных прокладок имеют конические выемки, повторяющие по форме конические выступы в трубных эластичных прокладках, но имеющие несколько меньшую глубину. Трубные решетки имеют на своих поверхностях, обращенных друг к другу, выфрезерованные канавки глубиной 1,0…1,5 мм, проходящие произвольным образом через все отверстия в трубных решетках.

Однокорпусная вакуум-выпарная установка (Пат. № 2077211 РФ, С1/12 В28) предназначена для производства сгущенных молочных продуктов, в том числе и сгущенного молока.

На рис. 15.51 показана вакуум-выпарная установка: а – принципиальная схема, б – виды сверху трубчатого теплообменного калоризатора, трубчатого теплообменника конденсатора, испарителя.

Данная установка устроена следующим образом. Внутри калоризатора 1 установлен трубчатый теплообменник 2. В средней части калоризатора 1 расположен коллектор подвода пара 3, полость которого соединена с полостью калоризатора. Между трубками 4 теплообменника 2 установлены трубы для перепуска вязкого продукта 5. Снаружи калоризатор закрыт теплозащитным покрытием 6. Для регулирования расхода конденсата установлена подпорная шайба 7. Верхняя часть калоризатора 1 соединена с помощью переливной трубы 8 с испарителем 9. В нижней части которого, напротив переливной трубы 7, установлено ребро 10 для устранения вихреобразования. Нижняя часть испарителя 9 с помощью циркуляционной трубы 11 соединена с нижней частью калоризатора 1. Для предотвращения уноса частиц продукта вместе со вторичным паром внутри испарителя 9 установлен отражатель 12. Верхняя часть испарителя 9 соединена с верхней частью конденсатора 13.

Внутри конденсатора 13 установлены пластины 14, разделяющие тракт трубчатого теплообменника 15 на изолированные друг от друга секторы, соединенные между собой последовательно. Нижняя часть корпуса конденсатора соединена с водокольцевым насосом 16. Для контроля за работой установки в специальных гнездах установлены: термометр 17 на калоризаторе, термометр 18 на испарителе, вакуумметр 19 на конденсаторе.

Вакуум-выпарная установка работает следующим образом. Включается водокольцевой насос 16 и создается первоначальный вакуум в трубах калоризатора 1, в испарителе 9 и в межтрубном пространстве конденсатора 13.

а)

б)

Рис. 15.51. Однокорпусная вакуум-выпарная установка

Пастеризованное молоко поступает в трубчатый теплообменник 2 калоризатора в объеме 120…140 л. Затем в межтрубное пространство калоризатора 1 по коллектору подвода пара 3 поступает греющий пар, который, отдавая тепло молоку, конденсируется на наружных поверхностях труб. Молоко нагревается в трубах теплообменника 2 калоризатора 1 и интенсивно закипает при температуре 55...60 °С. Конденсат при этом отводится через подпорную шайбу 7 из калоризатора 1 в нижнюю часть конденсатора 13. При повышении вязкости сгущаемого продукта, благодаря трубам для перепуска вязкого продукта 5 калоризатора 1, интенсифицируется процесс перетока продукта из калоризатора 1 в испаритель 9. Для устранения потерь тепла на калоризаторе 1 установлено теплозащитное покрытие 6. Вторичные пары вместе с частицами продукта через переливную трубу 8 тангенциально поступают в испаритель 9. Для исключения воронкообразования и более полного отделения продукта от вторичных паров внутри испарителя установлено ребро. В испарителе 9 сгущаемый продукт отделяется от вторичных паров, опускается вниз испарителя 9 и по циркуляционной трубе 11 направляется в калоризатор 1.

Далее вторичные пары, освобожденные от частиц продукта, направляются в межтрубное пространство поверхностного конденсатора 13. Трубчатый теплообменник 15 разделен пластинами 14 на изолированные секторы таким образом, что охладитель проходит последовательно через все секторы. Вторичный пар конденсируется, благодаря чему создается разрежение в системе установки. Образовавшийся в конденсаторе 13 и в калоризаторе 1 конденсат откачивается водокольцевым насосом 16. Контроль за работой установки производится по показаниям термометров 17, 18 и вакуумметра 19.

Однокорпусная вакуум-выпарная установка периодического действия отличается тем, что отношение суммарной площади проходного сечения труб для перепуска вязкого продукта к площади проходного сечения переливной трубы равно 2,0…2,2; отличатся тем, что на наружной поверхности калоризатора установлено теплозащитное покрытие; отличается тем, что в средней части калоризатора установлен коллектор подвода пара; отличается тем, что охлаждающий тракт трубчатого теплообменника конденсатора разделен на несколько изолированных друг от друга секторов, последовательно соединенных между собой; отличается тем, что в нижней части испарителя возле места его соединения с переливной трубой калоризатора установлено ребро, высота которого составляет 0,73…1,46 диаметра переливной трубы.

Заторно-сусловарочно-фильтрационный аппарат (Пат. № 2167194 РФ, С12 С13/02) предназначен для использования в минипивзаводах.

На рис. 15.52 представлен общий вид аппарата. Заторно-сусловарочно-фильтра-ционный аппарат представляет собой цилиндрический сосуд 1, снабженный полым валом 4 с просверленными в нем отверстиями, через которые продувается воздух. На его оси установлен фильтрующий элемент 3, выполненный в виде перфорированного цилиндра, приводимый во вращение электроприводом 10, причем для соблюдения технологического процесса отношение объемов фильтрующего элемента и цилиндрического сосуда равно 1,0 : 4,0. Цилиндрический сосуд, который установлен на опорных стойках 8, имеет патрубок 7 для слива охмеленного сусла и патрубки 6 для технического обслуживания, дополнительно снабжен ложным корпусом 2 с просверленными в нем отверстиями для продувания воздушных потоков через патрубки 13. В верхней крышке 5 расположены фиксирующие винты 9 и патрубок 12 для выхода экстрапаров. Нагревание происходит с помощью электрических ТЭНов 11, установленных под сферическим днищем.

В фильтрующий элемент 3 загружаются продукты соложения и подается подогретая до требуемой температуры вода. При этом включается электропривод 10, который приводит во вращение фильтрующий элемент 3. В ложный корпус 2 через патрубки 13 и полый вал 3 подаются под небольшим давлением воздушные потоки, которые позволяют интенсифицировать процесс перемешивания, при этом происходит процесс экстрагирования веществ из затираемых материалов в подогретую до требуемой температуры воду. По окончании процесса осахаренный затор остается в цилиндрическом сосуде 1, а дробина извлекается из фильтрующего элемента 3. Затем в фильтрующий элемент 3, приводимый во вращение электроприводом 10, подается хмель, а в ложный корпус 2 и полый вал 4 подаются воздушные потоки. При кипячении сусла с хмелем происходит интенсивное растворение горьких веществ хмеля и переход их в сусло. Экстрапар удаляется через патрубок 12. По окончании процесса охмеленное сусло выводится из цилиндрического сосуда 1 через патрубок 7, а хмель удаляется из фильтрующего элемента 3. Нагревание затираемой массы и кипячение сусла с хмелем обеспечивается электрическими ТЭНами 11, которые вмонтированы в нижнюю часть цилиндрического сосуда 1 под сферическим днищем аппарата. По окончании процесса через патрубок 6 подается ополаскивающий раствор и происходит промывание аппарата.

Рис. 15.52. Заторно-сусловарочный-

фильтрационный аппарат

Заторно-сусловарочно-фильтрационный аппарат отличается тем, что в нем совмещены конструкции и функции заторно-сусловарочно-фильтрационного аппарата, для чего он снабжен фильтрующим элементом, выполненным в виде перфорированного цилиндра с возможностью вращения, внутри которого установлен полый вал с просверленными в нем отверстиями для подачи воздуха, при этом соотношение объемов фильтрующего элемента и цилиндрического сосуда равно 1,0 : 4,0; отличается тем, что он имеет дополнительно ложное днище с отверстиями для подачи воздуха; отличается тем, что перемешивание среды осуществляется с помощью воздушных потоков.

Экструдер для производства профильных изделий с регулируемым сечением формующего канала (Пат. № 2161556 РФ, В29 С47/00) может быть использован в отраслях промышленности, применяющих экструзию.

На рис. 15.53. изображен экструдер: а – поперечный разрез, б – положения матрицы при различном живом сечении формующего канала. Экструдер для производства профильных изделий с регулируемым сечением формующего канала, содержит корпус 1, соединенный с ним направляющий фланец 2 и калибрующее устройство (матрицу) 3 с формующим каналом 4.

В направляющем фланце 2 изготовлены по окружности пазы, с установленными в них пружинами 6, противоположными концами контактирующими с пазами матрицы 3, при этом на ее наружной поверхности выполнены наклонные радиальные отверстия, в которых находятся профилеобразующие пластины 5 с закрепленными на концах роликами 7.

а)

б)

Рис. 15.53. Экструдер

Экструдер работает следующим образом. Исходный продукт загружается в рабочую камеру экструдера через загрузочную воронку 9 и перемещается в предматричную зону посредством вращающегося шнека 8 и продавливается через формующий канал 4 матрицы 3. Окончательную форму продукт получает проходя через отверстие, образованное формующим каналом 4 и профилеобразующими пластинами 5. Максимальное сечение этого отверстия соответствует проходному сечению формующего канала матрицы. Причем проходное сечение образованного отверстия устанавливается «автоматически» в зависимости от свойств продукта и развиваемого экструдером давления. Так, в случае повышения давления продукта сила, действующая на матрицу 3, превысит силу, с которой пружины 6 удерживают ее в положении равновесия и матрица начнет перемещаться в направлении выхода продукта. Тем самым она заставляет перемещаться профилеобразующие пластины 5 с роликами 7. При перемещении ролики, обкатываясь по копирам, увлекают за собой пластины, которые, перемещаясь, увеличивают живое сечение формующего канала 4, что вызывает снижение давления в предматричной зоне экструдера. Это приводит к уменьшению сил, действующих на матрицу со стороны продукта, и она под действием увеличившихся сил сжатия пружин 6 перемещается в обратном направлении. При достижении баланса сил сжатия пружин и силы давления продукта матрица займет новое равновесное положение, соответствующее оптимальному режиму экструдирования пищевого сырья.

Пределы регулирования, геометрия копира определяются размерами формующих каналов матрицы и реологическими свойствами перерабатываемого сырья. Конструкция экструдера предусматривает возможность замены копира на копир с другой геометрией в случае изменения технологических параметров экструзионного процесса при переходе на новый вид сырья. Наличие сменных копиров с различной геометрией обеспечивает универсальность экструдера для производства профильных изделий, что позволяет перерабатывать широкий спектр материалов. Выполненные в матрице наклонные пазы для размещения профилеобразующих пластин располагаются максимально близко к ее краю с условием соблюдения жесткости конструкции. Это необходимо для устранения застойных зон расплава продукта. Пружины отрегулированы на определенное усилие отжатия, при превышении которого они сжимаются. Технической задачей изобретения является стабилизация давления в предматричной зоне экструдера при изменении технологических параметров процесса в ходе экструдирования различного исходного сырья за счет «автоматического» варьирования проходного сечения формующего канала, а также расширение области применения.

Экструдер для производства профильных изделий с регулируемым профилем формующего канала отличается тем, что пазы направляющего фланца изготовлены по окружности, в них установлены пружины, противоположными концами контактирующие с аналогичными пазами матрицы, имеющей возможность возвратно-поступательного перемещения по направляющим корпуса параллельно оси шнека, на ее наружной поверхности выполнены наклонные радиальные отверстия, в которых находятся профилеобразующие пластины с закрепленными на концах роликами, контактирующими с копирами, изготовленными в направляющем фланце.

* * *

В этой главе наиболее важными являются следующие моменты:

1. Знание кинетических закономерностей процессов тепло- и массообмена и способов передачи теплоты в пищевые среды позволяет повышать эффективность работы оборудования.

2. Приведенная классификация аппаратов для темперирования, повышения концентрации и экструдирования пищевых сред (молока, шоколадных масс, мясопродуктов, свекловичного сока, томатного пюре, пасты, сиропов, крахмалосодержащего сырья, пивного сусла, фруктов и овощей, консервов и других продуктов) обеспечивает не только сравнительный анализ достоинств и недостатков существующего оборудования, но и выполнение прогнозных разработок.

3. Закономерности процесса экструдирования пищевых сред требуют дальнейшего изучения и исследования существующего оборудования по показателям производительности, энергозатрат и качества продукта.

4. Инженерные расчеты описанных аппаратов для темперирования, повышения концентрации и экструдирования пищевых сред дают возможность организовать надежную их эксплуатацию и проектировать новое прогрессивное оборудование.