3. Загальні положення процесів теплообміну

Процеси теплообміну посідають одне з найважливіших місць при обробці харчових продуктів. Умовно їх можна поділити за їх характером на чисто теплообмінні процеси, де масообмін відіграє підпорядковану роль (нагрівання, охолодження, заморожування, конденсація, випаровування), а також на суміщені тепло- та масообмінні процеси (сушіння, дистиляція, ректифікація, випічка, обжарка, адсорбція).

До обладнання для здійснення чисто теплообмінних процесів належать теплообмінники-підігрівачі, охолоджувачі, випарні установки та апарати, конденсатори, електронагрівачі тощо.

У ролі теплоносія у виробництві харчових продуктів використовують водяну пару, повітря, воду та інше. Найбільш часто використовується водяна пара завдяки тому, що вона зручна для транспортування, легко регулюється її температура та витрати, має велику теплоту конденсації, незначна її агресивна дія на матеріал паропроводів та апаратів, а також її можна використовувати в умовах безпосереднього контакту з харчовими продуктами.

4 Обладнання для нагрівання та охолодження харчових продуктів

До обладнання для нагрівання та охолодження харчових продуктів, ставляться вимоги теплового, гідродинамічного, конструктивного, експлуатаційного і технологічного характеру, які враховуються при виборі, розрахунку та конструюванні відповідного апарата.

Основні вимоги до такого типу обладнання - досягнення в тепло­обміннику максимального коефіцієнта теплопередачі при мінімальному гідравлічному опорі; герметичність поверхні нагрівання; надійність в роботі, зручність ремонту та очищення; надійна термокомпенсація конструктивних елементів; мінімально можлива металоємність; максимально можлива питома поверхня нагрівання; простота конструкції, технологічність виготовлення та монтажу; достатня міцність; апарат повинен мати високу продуктивність; виготовлення, монтаж, експлуатація, ремонт та обслуговування апарата повинні бути економічно вигідними.

Найбільш поширені в харчовій промисловості кожухотрубні теплообмінники. Вони забезпечують великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні та надійні в експлуатації.

Такі теплообмінники бувають одноходові та багатоходові з різним направленням потоків теплоносіїв.

Прикладом найпростішого підігрівана є одноходовий трубчастий теплообмінник (рис. 7.4). Він складається з паралельних трубок, кінці яких ввальцьовані в дві трубні решітки 4. Трубки поміщені в циліндричний корпус 1. Апарат має штуцер 6 для підведення теплоносія в простір між трубками і штуцер 3 для відведеннятеплоносія. Подача продукту здійснюється через штуцер 5, а відвід - через штуцер 7. Для покращення процесу теплообміну в міжтрубному просторі встановлені перегородки.

Теплообмінник має велику поверхню нагрівання і великий поперечний переріз всіх трубок. Тому швидкість руху продукту в трубах мала ікоефіцієнт теплопередачі невеликий. Для збільшення швидкості руху продукту зменшують переріз потоку шляхом установки направляючих перегородок в кришках теплообмінників. Пучок труб за допомогою цих перегородок розділений на кілька секцій. Такі теплообмінники називають багатоходовими.

З двох теплоносіїв, що рухаються в трубах і між- трубному просторі, в першу чергу треба збільшувати швидкість руху того носія, в якого при теплообміні вищий термічний опір.

Прикладом багатоходового кожухотрубного теплообмін­ника можуть бути підігрівач в бурякоцукровому виробництві типу ПСС та ПДС. Підігрівач ПДС використовується для нагрівання рідин з кислою реакцією (дифузійний сік, жомопресова вода), а для рідин з лужною реакцією (сатуровані та сульфітовані соки, сироп) використовується підігрівач типу ПСС. Ці два типи підігрівачів мають однакову конструкцію і відрізняються лише матеріалом, з якого виготовлені теплообмінні трубки парових камер. Крім того в цукровому виробництві використовується підігрівач ТДС, в якому для нагрівання продукту використовують конденсат з випарної установки.

Багатоходовий підігрівач типу ПДС-200 (рис. 7.5) складається із стального циліндричного корпусу 11, закритого кришкою 7 та дном 10, яке шарнірно з'єднане з корпусом. Для полегшення відкривання кришка і дно з'єднані між собою штангою 22 і можуть одночасно відкриватись та закриватись гвинтовим пристроєм 21. Кришка і дно притискаються до корпусу відкидними болтами 23.

Всередині корпусу знаходяться верхня 19 і нижня 24 трубні решітки, в які ввальцовані трубки 16 діаметром 33x1,5 мм.Камери 17 і 25 утворені простором між трубними решітками, кришкою та дном, поділені за допомогою перегородок 12 на секції. При розміщенні вхідних і вихідних патрубків на одному рівні згори чи знизу, їх число завжди парне. Завдяки перегородкам 12 рідина, що нагрівається декілька разів змінює напрям свого руху і послідовно проходить пучки трубок. Швидкість руху рідини в таких підігрівачах 1,2,1,8 м/с.

Підігрівач має два двоклапанні обхідні вентилі 5 і 13. Коли обидва клапани вентиля 5, які управляються за допомогою одного шпинделя 14, відкриті, рідина поступає у вентиль через патрубок 4 і, пройшовши всі ходи підігрівана, відводиться через патрубок 9, в іншому випадку, коли клапани закриті, рідина проходить через обвідний клапан вентиля і не потрапляє в підігрівач.

У непарних секціях рідина рухається знизу вгору, в парних - згору вниз. Відведення рідини із підігрівана здійснюється із нижньої камери через той же вентиль.

Для очищення підігрівана від накипу відповідний розчин подається в підігрівач при відкритих за допомогою шпинделя 15 клапанах вентиля 13 і закритих клапанах вентиля 5.

Нагрівна пара в підігрівач подається через патрубок 6. Несконденсовані гази із верхньої частини гріючої камери збираються в кільцевий колектор 18 і відводяться через патрубок 8. Конденсат з нижньої частини парової камери перетікає в колектор 3 і відводиться через зворотній клапан 2.

Контроль температури і тиску рідини на її вході та виході здійснюється за допомогою термометрів та манометрів. У кришці і на дншці є краники 20 і 26.

Верхній призначений для випуску повітря під час наповнення підігрівача рідиною при його включенні в роботу, а нижній - для остаточного випуску рідини із підігрівача. По лотку 1 рідина стікає в приймальну лійку.

Активна довжина трубок підігрівачів ПСС і ПДС складає 3500 мм. Площа поверхні нагрівання складає 60,80,100, 120 м п]зи діаметрі корпусу 1040 мм і загальній висоті підігрівача 4360 мм, 160 м при діаметрі 1280 мм і висоті 4490 мм, 200 м при діаметрі 1410 мм і висоті 4670 мм і 300 м при діаметрі 1600 мм висоті 5360 мм.

Найбільший робочий тиск у соковій камері становить 0,6 МПа, в паровій 0,6 МПа.

Використовують також двохтрубні теплообмінні апарати типу "труба в трубі" (рис. 7.6). Вони бувають розбірні і нерозбірні. Крім того вони можуть бути однопоточні, двопоточні і багатопоточні. Такі теплообмінники придатні для високих тисків теплоносіїв. Завдяки великим швидкостям рідини (1,0 - 1,5 м/с) вони мають високі коефіцієнти теплопередачі. Проте вони дуже громіздкі і металоємні, незручні для очистки.

Широке розповсюдження отримали в харчовій промисловості елементні або секційні теплообмінники. Вони складаються з декількох послідовно з'єднаних елементів або секцій, кожна з яких являє собою кожухотрубний апарат з невеликим числом нагрівальних трубок. Вони можуть розташовуватися як горизонтально так і вертикально.

З'єднання декількох елементів з малою кількістю трубок відповідає принципу багатоходового кожухотрубного апарату, що працює псі найбільш вигідній схемі протитечії.

Ці теплообмінники ефективні в тому випадку, коли обидва теплоносії рухаються з порівняльними швидкостями без зміни агрегатного стану, коли носії знаходяться під високим тиском. Відсутність перегородок знижує гідравлічний опір, зменшує ступінь забруднення міжтрубного простору.

Прикладом секційного теплообмінника може служити підігрівач типу ППС - 60 (рис.7.7), який використовують у цукровій промисловості. Він складається з шести теплообмінних секцій 6, з'єднаних між собою перехідними патрубками 7, які прикріплені до секцій за допомогою фланцевих з'єднань. Кожна секція являє собою кожухотрубний теплообмінник, який складається з циліндричного корпусу 18, виготовленого із стальної труби, в верхню і нижню частини якої вварені трубні решітки 11 і 23. В решітки ввальцьовані теплообмінні трубки 19 діаметром 33 х 1,5 мм та довжиною 5100 мм. Секції за допомогою лап 14 кріпляться болтами до опорної рами 15. До вхідного 1 та вихідного 2 патрубків прикріплюються обхідний вентиль 26 для відключення підігрівача по соку.

Парові камери попарно з'єднані між собою патрубками 12 і 20, які в свою чергу з'єднані з паровим колектором 16. У верхній та нижній частині парової камери кожної секції розташовані патрубки 13 і 21, з'єднані з колекторними трубками 17, по яких відводяться несконденсовані гази.

Конденсат гріючої пари відводиться колектором 24 з вентилем 25. Колектор з'єднаний з нижньою частиною кожної камери трубками (на рисунку умовно не позначені).

У нижній і верхній точках перехідного патрубка 7 та в нижній точці колектора 24 установлені краники 27, 28 і 8 відповідно для зливу соку і конденсату та відводу повітря з кожної секції під час наповнення підігрівана соком.

Рівень конденсату в парових камерах контролюється вимірювачем рівня 3. Підігрівач має запобіжний клапан 9,з'єднаний відводами 10 з паровими камерами, а також манометри 22 та термометри, що стоять на соковій та паровій камері.

Для інтенсифікації теплообміну між гріючою парою та поверхнею теплообміну використано пароструминний ежектор 4, який системою трубопроводів 5 з'єднаний з паровими камерами. По них відбувається циркуляція нагрівної пари з парових камер в ежектор і знову в парові камери.

Сік надходить в підігрівач через нижній патрубок обхідного вентиля 26, входить в першу секцію через патрубок 1 і рухається по трубках 19 вгору. По перехідному патрубку 7 сік переходить у другу секцію, опускається по трубках вниз, переходить в третю секцію тощо. Нагрітий сік виходить з останньої секції через патрубок 2 і вилучається з підігрівача через верхній патрубок обхідного вентиля 26.

Нагрівна пара подається спочатку в ежектор 4, потім в колектор 16, із якого по патрубках надходить в парові камери кожної секції, конденсуючись на теплообмінних трубках, вона нагріває сік. Проходячи через ежектор, нагрівна пара підсмоктує пару з парових камер через систему трубопроводів 5, створюючи таким чином інтенсивну вентиляцію камер, завдяки чому підвищується коефіцієнт тепловіддачі від пари до трубок.

В останні роки все більшого розповсюдження набувають пластинчасті теплообмінники (рис.7.8). Вони використовуються для пастеризації і охолодження молока, пива, вина та інших продуктів. Основним елементом цих теплообмінників є пластини 1, виготовлені з легованої сталі. їх ставлять і закріплюють на станині 2. Поверхня пластин має виступи 4, які утворюють багаточисельні канали між пластинами. По цих каналах тонким шаром (З 6 мм) протікає рідина. Шари рідини чергуються, тому теплообмін у кожному шарі рідини відбувається через обидві обмежуючі поверхні. Ущільнення пластин досягається гумовими прокладками 3, приклеєними по периферії. Завдяки рифленій поверхні пластин при порівняно малій швидкості руху рідини (0,3 , 0,8 м/с) за рахунок штучної турбулізації потоку досягають високих коефіцієнтів теплопередачі при незначному гідравлічному опорі. Часто пластини компонують в групи. Група пластин, що утворює систему паралельних каналів у яких теплоносій рухається тільки в одному напрямку, утворює пакет. Такий пакет подібний до пучка трубок одного ходу багатоходового кожухотрубного теплообмінника.

Різне компонування пластин у групах, груп в пакетах і пакетів на рамі дозволяє створювати необхідні компоновочні схеми, які найкраще відповідають виконанню певних технологічних функцій (рис. 7.9). В умовному позначенні кожної компоновочної схеми вказано: в чисельнику

число пакетів для гарячого теплоносія, в знаменнику - для холодного. Кожний додаток означає число паралельних пакетиків у кожному пакеті.

Такі апарати можуть бути як розбірні, що складаються з окремих пластин, так і напіврозбірні, в яких пластини попарно зварені.

Розбірні апарати мають три виконання: І - на консольній рамі, II - двохопорній рамі, III - трьохопорній рамі.

Зрошувальні теплообмінники використовуються переважно як холодильники. Вони складаються з паралельних горизонтальних труб 2, розташованих одна над другою у вертикальній площині (рис. 7.10). Кінці з'єднані перепускними трубками 3. Зверху розташовані перфоровані зрошувальні труби 5 із загальним патрубком 4 для входу. Патрубки 1 і 7 відповідно призначені для подачі та виведення продукту. Зверху труби 2 зрошуються охолоджуючим агентом (вода), який рівномірно розподіляється лотками 6 із зубчатими краями. Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках невисокий.

У спіральних теплообмінниках поверхню теплообміну утворюють два зігнуті у вигляді спіралей 1 (рис. 7.11а) металеві листи товщиною 2 - 4 мм, внутрішні кінці яких приварені до розділяючої перегородки 2. Утворені

таким чином спіральні канали розміром 8 або 12 мм обмежені з торців кришками 3. Спіралі приварюються до однієї з кришок. Друга кришка встановлюється або з плоскою прокладкою, або із спіральним прокладочним манжетом U-подібного перерізу. На рис. 7.116, в показані варіанти конструкцій, в яких спіралі до кришки не приварюються.

Вони тут затиснуті між кришками з прокладками 4, чи U-подібними манжетами 5.Спіральні теплообмінники мають площу поверхні теплообміну від 10 до 100м².

Ребристі теплообмінники. Для збільшення поверхні теплообміну з боку теплоносіїв, що має низький коефіцієнт тепловіддачі, використовують вторинні

поверхні (ребра), які закріплюють на зовнішній поверхні круглих труб. Такі конструкції використовують у калориферах для нагрівання повітря парою чи газом, а також в апаратах повітряного охолодження.

Змійовикові теплообмінники мають порівняно низький коефіцієнт теплопередачі, але через простоту виготовлення та зручність обслуговування вони набули значного розповсюдження. Вони використовуються як для нагрівання,так і для охолодження.

Наприклад, у кондитерській промисловості зустрічаються апарати з зануреною змійовиковою поверхнею нагрівання (рис. 7.12)- диссутор, для приготування цукрозно-паточного сиропу. Завантаження цукру здійснюється через отвір, закритий кришкою 8, подача патоки і води - через трубу 4. Нагрівна пара, проходячи всередині змійовика 2, віддає свою теплоту і перетворюється в конденсат, який відводиться за допомогою конденсато- ііідвода 12. Для перемішування розчину та створення його циркуляції можливо встановлювати мішалки або барботери 11. Вторинна пара відводиться через патрубок 3. Корпус 1 апарату має ізоляцію 9.

У спиртовому виробництві для охолодження спиртово-водяної пари застосовують апарат з комбінованою поверхнею нагрівання, схема якого

наведена на рис.7.15. Пари спирту надходять у верхню частину апарату через патрубок 4 в багатоходовий міжтрубний простір. Завдяки тому, що всередині трубок 3 проходить холодний теплоносій (вода), пари спирту конденсуються. Спиртовий конденсат стікає по перепускному патрубку у змійовик 2, що розташований у нижній частині апарату. Охолоджений у змійовику спиртовий конденсат виводиться через патрубок 6. Охолоджуюча вода подається в апарат знизу через патрубок 1 і виводиться із нього через патрубок 5.

До теплообмінників з оболонковою поверхнею нагрівання належать автоклави, похилі дифузійні апарати коритного типу, відкриті варочні котли та заторні апарати.

На рис. 7.16 зображено відкритий варочний котел Д9- 41А з мідною чашею 8 місткістю 150 л. До оболонки 9 приєднані полі цапфи 3,13, на яких котел може бути повернутим для

розвантаження продукту. Цапфи закріплені на чавунних стійках 1. Поворот чаші здійснюється вручну маховиком, закріпленим на валу черв'яка 7, через черв'ячне колесо 6. Розвантаження апарата може здійснюватися через патрубок із затворами 10.

Нагрівна пара подається в рубашку через цапфу 3. Конденсат відводиться через патрубок 12 та цапфу 13.

Тиск у паровій камері контролюється манометром 4. На вхідному патрубку пари встановлено запобіжний клапан 5. Парова камера має вентиль для продування та випуску повітря.

Такі варочні котли можна використовувати при тиску не більше 0,3 - 0,6 МПа залежно від діаметра апарата.

Темперуючі машини призначені для безперервного охолодження шоколадної маси до температури 31-32С при безперервному перемішуванні. Завдяки спеціальним пристроям у темперуючих машинах автоматично підтримується необхідна температура. Перемішуючий робочий орган - шнек створює тиск, який забезпечує переміщення відтемперованої маси по трубопроводу на відстань до 25 м.

Контактні підігрівані використовуються для нагрівання рідини при безпосередньому контакті з нею нагрівної пари. Прикладом може служити пароконтактний підігрівач ПКП-150 для нагрівання жомопресової і барометричної води у цукровому виробництві (рис. 7.17). Корпус 1 циліндричний з конічним дном та плоскою кришкою. До патрубка 19 приварюється барометрична труба висотою не менше 10 метрів для відведення нагрітої води. Принцип дії аналогічний принципу дії барометричних конденсаторів. Колектор 7 служить для відводу несконденсованих газів у конденсатор по патрубку 6. Всередині корпуса знаходяться також конічні верхня 5 та нижня 2 тарілки, а зовні - оглядові вікна 4 і опори 3. Пара підводиться по патрубку 18 з привареними всередині нього перегородками 17. На верхній частині патрубка 18 установлені вертикальні смуги 16, які утворюють клиноподібні вікна. Згори смуги 16 з'єднані кільцем 15 жорсткості. Завиток 8 - циліндричний, має конічне днище і плоску верхню кришку. До кришки приварена вертикальна труба 13, заглушена згори і відкрита знизу. У середній частині вона має продовгуватіщілини 12. Середня тарілка 14 двохконусна. Патрубок 9 для відведення нагрітої води. На конічному дні завитка прикріплений конусоподібний комірець 10, нижче нього на трубі конічний зонд 11.

Вода для нагрівання подається по тангенційно встановленому патрубку 9, поступає у кільцеву камеру завитка і обертаючись виходить у вигляді суцільної кільцевої завіси через кільцеву щілину на верхню конічну тарілку 5, зливається на нижню тарілку 2 суцільною конічною завісою і виводиться з апарату через патрубок 19 в барометричну трубу.

Нагрівна пара надходить знизу, зустрічає водяні завіси, конденсуючись в них, нагріває воду. Частина пари проходить по вертикальній трубі 13 в отвори 12 і контактує з водяною завісою, що витікає із щілини завитка 8. Розрідження в підігрівані - 0,032 МПа (0,32 кг/см 2 ).

У тому випадку, коли рідину треба швидко підігріти, не боячись розбавлення її конденсатом, використовують барботери, які також належать до контактних підігрівачів.

Ошпарювані призначені для теплового оброблення нарізаних овочів та коренеплодів. Наприклад, нарізаних овочів перед їх сушінням, бурякової стружки перед екстрагуванням.

У стрічковому ошпарювачі БК-200 для нарізаних овочів (рис. 7.18) похило встановлена стрічка 2 із проволочної сітки рухається всередині металевого корпусу 4.

Над стрічкою на початку і в кінці встановлені обприскуючі пристрої 3 і 6, перший - для ополіскування про­дукту, другий - для його охолодження після пропарювання. Між робочою та неробочою частина­ми стрічки розташо­вані труби 5, через які барботується пара під тиском 0,3 МПа. Продукт подається шнеком 1 на стрічку ошпарювача, пере­міщається разом з нею, ополіскується, потім ошпарюється і після охолодження вивантажується.

У цукровій про­мисловості у схемах дифузійних установок з колонними екстракторами використовують ошпарювачі стружки типу ОС та ПНА, в яких процес ошпарювання здійснюється за допомогою потоків підігрітого дифузійного соку до температури 85°С.