7.1.2. Трубчатые теплообменники

В пищевой промышленности среди поверхностных рекуперативных теплообменников наиболее распространены трубчатые, среди них кожухотрубные.

Кожухотрубные теплообменники предназначены для нагревания вязких и жидких сред (паста, фруктовое пюре, сусло, фруктовые и овощные соки).

На рис. 7.2 приведена схема вертикального одноходового кожухотрубчатого аппарата жесткой конструкции. В кожухе 1 размещены две трубные решетки 3 и нагревательные трубки 2, концы которых развальцованы в отверстиях решеток. Для подвода и удаления продукта аппарат имеет патрубки 9 и 4. Греющий пар подводится через патрубок 7, а конденсат удаляется через патрубок 14. Для установки аппарата служат опорные лапы 8.

Рис. 7.2. Одноходовой кожухотрубный аппарат 1 – кожух; 2 – трубки; 3 - трубная решетка; 4 - патрубок выхода продукта; 5 –крышка; 6, 11 - продуктовые камеры; 7 – патрубок подвода греющего пара; 8 – опоры; 9 - патрубок для подвода продукта; 10 - днище; 12 – фланец; 13 – прокладки; 14 - патрубок для удаления конденсата.

Трубные решетки либо привариваются к кожуху, либо зажимаются фланцами 12 с прокладками 13. Кожух и трубки жестко связаны между собой трубными решетками. В связи с удлинением трубок при высоких температурах такие аппараты используются при сравнительно небольших разностях температур между трубками и корпусом (не более 40º С).

Межтрубное пространство сложно очистить. Поэтому туда подаётся тот теплоноситель, который менее загрязняет поверхность теплообмена. Внутреняя поверхность труб легко очищается специальными приспособлениями.

Недостаток кожухотрубных аппаратов – низкие коэффициенты теплопередачи вследствие малой скорости движения теплоносителя.

Улучшение работы кожухотрубных теплообменников достигается путем группировки трубок в отдельные пучки (ходы). Для этого в распределительных коробках устраивают перегородки.

В таком многоходовом теплообменнике рабочая жидкость проходит через трубное пространство, перетекая последовательно через все пучки трубок. При этом скорость жидкости возрастает, и коэффициент теплопередачи увеличивается.

Перегородки в распределительных коробах делают по хордам радиально или концентрически.

Для увеличения скорости перемещения жидкости в межтрубном пространстве устраивают продольные или поперечные перегородки. Из двух теплоносителей, движущихся в трубах и межтрубном пространстве, в первую очередь надо увеличивать скорость движения того носителя, у которого выше термическое сопротивление.

Для предотвращения перегрева и подгорания продукта применяют кожухотрубные подогреватели, работающие под вакуумом.

На рис 7.3 показана схема четырехходового кожухотрубного аппарата. Его крышка разделена перегордками, образующими три продуктовые камеры І, ІІ, ІІІ. Днище имеет две продуктовые камеры - А и Б. Из верхней камеры І продукт опускается в камеру А, откуда поднимается по трубкам в камеру ІІ. Затем он последовательно проходит камеры Б и ІІІ и выходит с аппарата.

Таким образом, продукт, проходя последовательно пучки трубок, совершает четыре хода: два - вниз и два - вверх. Такие аппараты называют многоходовыми по трубному пространству. Обычно они изготавливаются с числом ходов от 2 до 12.

В аппарате на рис.7.4, кроме крышки, перегородками разделено межтрубное пространство. Теплоноситель ІІ, омывающий наружную поверхность тру­бок, проходит их последова­тельно. По трубному пространству для теплоносителя І этот аппарат является двухходовым, а по межтрубному для теплоносителя ІІ – пятиходовым.

Рис.7.3 Многоходовой аппарат по трубному пространству.

Рис.7.4. Многоходовой аппарат по трубному и межтрубному пространству

Способы крепления трубок к трубным решёткам. Соединение трубок с трубными решетками должно быть плотным и прочным. Оно осуществляется разными способами: развальцовкой, припайкой, свариванием, или сальниковым креплением (рис.7.5. ).

Рис. 7.5 Крепление труб в трубных решетках а, б, в, г - развальцовка: цилиндрическия, с канавками, конусная, с отбортовкой; д - припайка; е - сваривание; ж - сальниковое крепление.

При развальцовке концы трубок вставляются в отверстия решетки, после чего роликами вальцовки концы трубок обкатывают по внутренней поверхности. При этом в стенках трубки создаются остаточные пластические, а в трубной решетке - упругие деформации, благодаря которым материал трубной решетки после развальцовки плотно сжимает концы трубок. Для большей прочности соединения применяют развальцовку на конус или с канавками в отверстиях трубной решетки.

Сваривание стальных трубок обеспечивает высокую прочность соединения. Однако замена изношенной трубки невозможна.

Припайка трубок применяется в охлаждающих аппаратах, изготовляемых из меди и латуни.

Сальниковое крепление трубок также служит компенсатором температурных удлинений, Недостатки - сложность изготовления, увеличивается расстояние между трубками, что увеличивает диаметр аппарата.

Конструкция аппаратов нежесткой конструкции предусматривает возможность компенсации разницы температурных удлинений трубок и корпуса.

Рис.7.6. Аппарат с U-образными трубками 1- кожух 2- перегородка 3- U-образные трубки 4- патрубок для подвода греющего пара 5- трубная решетка 6- патрубок для подвода и отвода продукта 7- продуктовая камера 8 - патрубок для отвода конденсата

Примером такого аппарата может быть аппарат с U-образными трубками. В нём имеется только одна трубная решетка, что снижает массу. Трубная решётка с трубками легко вынимается - это облегчает очистку наружных поверхностей трубок. Недостаток – сложность очистки внутренних поверхностей трубок, сложность изготовления U-образных трубок и их монтаж.

Аппараты полужесткой конструкции (рис.7.7) имеют специальные компенсаторы температурных деформаций в виде кольцевых волн – линз 1 на корпусе 2 или других приспособлений (рис.7.8).

Рис.7.7. Теплообменный аппарат полужесткой конструкции: 1- линза, 2- корпус.

Линзы изготавливают штампованием или из кольцевого тора со щелью, разрезанного и сваренного по форме волны, или в виде кольцевой пластины с приваренными к ней отбортованными частями корпуса. Одна линза обеспечивает небольшие компенсации температурных деформаций (4 – 5мм).

	Рис. 7.8 . Компенсаторы температурных деформаций: а - линза, сваренная из двух штампованных частей; б - кольцо, приваренное к отбортованным частям кожуха;
в - тор со щелью, приваренный к кожуху; г - кольцевой мембранный компенсатор; д - многоволновой компенсатор («гармошка»).

Широкое распространение получили элементные или секционные трубчатые теплообменники, которые состоят из последовательно соединённых секций. Каждая секция изготовлена в виде кожухотрубного аппарата с малым числом нагревательных трубок (рис.7.9 а). Эти аппараты работают по наиболее выгодной схеме противотока. Они эффективны, если оба теплоносителя движутся с близкими скоростями без изменения агрегатного состояния. Их применяют, если теплоносители находятся под высоким давлением.

а	Б
Рис.7.9 Секционные аппараты. 1 – корпус; 2 - линзовый компенсатор; 3 – трубы. Патрубки: 4 – ввода теплоносителя в межтрубное пространство; 5 – отвода теплоносителя из труб; 6, 7 – перепускные; 8 – ввода теплоносителя в трубы; 9 - отвода теплоносителя с межтрубного пространства.

Большое применение на предприятиях пищевой промышленности имеют аппараты типа "труба в трубе" (рис.7.9 б). Они состоят из последовательно соединенных секций; каждая секция представляет собой две соосных трубы различных диаметров. Эти теплообменники пригодны для высоких давлений теплоносителей, просты в изготовлении и монтаже. Благодаря большим скоростям жидкостей имеют высокие коэффициенты теплопередачи. Недостаток - высокий расход металла и трудность очистки межтрубного пространства.