Мал. 8.7. Схема пароварочних апаратів для обробки продукту контактом теплообмінних середовищ:

а – з централізованою подачею пару: 1 – збірник конденсату; 2 – патрубок для підведення пару;

3 – функціональна ємність без отворів; 4 – корпус апарату; 5 – функціональна ємність з отворами;

6 – патрубок для відведення конденсату;

б – з автономним пароутворювачем: 1 – пароутворювач;2 – корпус апарату; 3 – функціональна ємність без отворів; 4 – функціональна ємність з отворами;

в – безперервно діючі: 1 – корпус апарату; 2 – ємність для продукту;3 – завантажувальний бункер із затвором; 4 – патрубок для відведення конденсату; 5 – розвантажувальний бункер із затвором для відведення готового продукту; 6 – ланцюговий транспортер; 7 – патрубок для введення пари.

Самостійна робота № 18 Тема. Основні види теплообмінників харчових виробництв

1. Улаштування теплообмінників: рекуперативних, кожухотрубних, типу «труба в трубі» і регенеративних.

2. Підбір теплообмінників.

Улаштування теплообмінників. Тепловикористовуючі апарати, що застосовуються в харчових виробництвах для проведення теплообмінних процесів, називаються теплообмінниками. Теплообмінник відрізняється конструкцією, що пояснюється призначенням апаратів і умовами проведення процесів.

За принципом дії теплообмінники поділяються на рекуперативні, регенеративні і змішувальні (градирні, скрубери, конденсатори змішування ).

У рекуперативних теплообмінниках теплоносії розділені стінкою і теплота передається від одного теплоносія до іншого через розділяючу їх стінку.

У регенеративних теплообмінниках теплообмінна поверхня омивається поперемінно гарячим і холодним теплоносіями. При омиванні поверхні гарячим теплоносієм вона нагрівається за рахунок його теплоти, при омиванні поверхні холодним теплоносієм вона охолоджується, віддаючи теплоту. Таким чином, теплообмінна поверхня акумулює теплоту гарячого теплоносія, а потім віддає її холодному теплоносію.

У змішувальних теплообмінниках передача теплоти відбувається при безпосередній взаємодії теплоносіїв.

Рекуперативні теплообмінники в залежності від конструкції розподіляються на кожухотрубні, типу "труба в трубі", змієвикові, пластинчасті, спіральні, зрошувальні і апарати із сорочками. Особливу групу складають трубчасті випарні апарати.

К ожухотрубні теплообмінники найбільше розповсюджені своєю конструкцією в харчових виробництвах.

Мал. 7.1.Схема вертикального одноходового кожухотрубного теплообмінника з нерухомими трубчастими решітками :

(а) із розташуванням труб в трубчатій решітці

(б): 1 – корпус; 2 – трубчата решітка; 3 – гріюча труба;

4 – патрубок; 5 – днище; 6 – опорна лапа; 7 – болт; 8 прокладка.

Кожухотрубний вертикальний одноходовий теплообмінник з нерухомими трубними решітками (мал.7.1,а) складається з циліндричного корпусу, що із двох сторін обмежений привареними до нього трубними ґратами із закріпленими в них гріючими трубами. Пучок труб поділяє весь об’єм корпусу теплообмінника на трубний простір, що укладений всередині гріючих труб і міжтрубний. До корпусу приєднані за допомогою болтового з'єднання два днища. Для введення і виведення теплоносіїв корпус і днище мають патрубки. Один потік теплоносія, наприклад рідина, направляється в трубний простір, проходить по трубах і виходить з теплообмінника через патрубок верхнього днища. Другий потік теплоносія, наприклад: пара, вводиться в міжтрубний простір теплообмінника, омиває ззовні гріючі труби і виводиться з корпусу теплообмінника через патрубок. Теплообмін між теплоносіями здійснюється через стінки труб.

Гріючі труби з'єднуються з трубними ґратами зварюванням, або розвальцьовані в ній (див. вузол Б на мал.7.1, а). Гріючі труби виготовлюються із сталі, міді або латуні.

Розміщуються гріючі труби у трубних решітках декількома способами (мал. 7.1б): по сторонах і вершинам правильних шестикутників (в шаховому порядку), по сторонах і вершинам квадратів (коридорне) і по концентричних колах. Такі способи розміщення забезпечують створення компактної конструкції теплообмінника.

З метою інтенсифікації теплообміну в кожухотрубних теплообмінниках пучок труб секціонують, тобто розділяють на кілька секцій (ходів), по яких теплоносій проходить послідовно. Розбивка труб на ряд ходів досягається за допомогою перегородок у верхньому і нижньому днищах.

На мал. 7.2 показаний багатоходовий теплообмінник, в якому теплоносій проходить трубчастий простір за чотири ходи. Цим досягається підвищення швидкості теплоносія, що приводить до збільшення коефіцієнта тепловіддачі в трубному просторі. Доцільно збільшувати швидкість теплоносія, що має більший термічний опір.

С екціонувати можна і міжтрубний простір за рахунок встановлення направляючих перегородок (мал. 7.3).

Мал. 7.2 .Схема багатоходового теплообмінника (за трубним простором): 1 – корпус; 2 – гріюча труба; 3 – днище; 4 – перегородки.

Мал.7. 3. Схема багатоходового теплообмінника (за міжтрубним простором): 1 – корпус; 2 – перегородки; 3 – гріюча труба; 4 – днище.

Зображені на мал. 7.1 – 7.3 кожухотрубні теплообмінники надійно працюють при різницях температур між корпусом і трубами 25 – 30°С. При більш високих різницях температур між корпусом і трубами виникають значні температурні напруги, що можуть привести до виходу теплообмінника з ладу. Тому при великих різницях температур застосовують конструкції теплообмінників, у яких передбачена компенсація температурних подовжень.

Теплообмінники типу "труба в трубі" складаються з ряду зовнішніх труб більшого діаметра і розташованих усередині них труб меншого діаметра (мал. 7.4). Внутрішні і зовнішні труби елементів з'єднані один з одним послідовно за допомогою колін і патрубків. Теплоносій - I рухається по внутрішній трубі, а IІ- по кільцевому каналі, утвореному внутрішньою і зовнішньою трубами. Теплообмін здійснюється через стінку внутрішньої труби. У цих теплообмінниках досягаються високі швидкості теплоносіїв як у трубах, такі в міжтрубному просторі. При необхідності створення великих площ поверхонь теплопередачі теплообмінник складають з декількох секцій, одержуючи батарею.

П ереваги теплообмінників "труба в трубі": високий коефіцієнт теплопередачі внаслідок великої швидкості обох теплоносіїв, простота виготовлення.

Мал. 7.4. Теплообмінник типу «труба в трубі»:

1 – зовнішня труба; 2 – внутрішня труба;

3 – коліно; 4 – патрубок; І, ІІ – теплоносії.

Недоліки теплообмінників полягають у громіздкості, високій металоємності, труднощах очищення міжтрубного простору.

Теплообмінники "труба в трубі" застосовуються при невеликих витратах теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами і між рідинною конденсуючої парою.

У теплообмінних апаратах із сорочками (автоклавах) передача теплоти від теплоносія до стінок апарату відбувається при омиванні зовнішніх стінок корпусу теплоносієм. На мал.7.5.зображено апарат із сорочкою, яка приварена до стінок апарату. У просторі між сорочкою і корпусом циркулює теплоносій, що обігріває середовище апарату. Іноді замість суцільної сорочки до корпусу апарата приварюється змійовик. На мал.7.6 показані варіанти приварених до корпусу апарата змійовиків.

Мал. 7.5.Апарат із сорочкою: Мал. 7.6.Варіанти приварних змійовиків.

1 – корпус; 2 – сорочка.

Р егенеративні теплообмінники складаються з двох секцій, в одній теплота передається від теплоносія проміжному матеріалу, в другій – від проміжного матеріалу передається технологічному газу. Прикладом регенеративної теплообмінної установки є установка безперервної дії з циркулюючим зернистим матеріалом (мал. 7.7), що виконує функцію перенесення теплоти від гарячих топкових газів до холодних технологічних. Установка складається з двох теплообмінників, кожний з який являє собою шахту із суцільним потоком зернистого рухомого матеріалу. У нижній частині кожного теплообмінника є газорозподільний пристрій для рівномірного розподілу газового потоку по перетині теплообмінника.

Мал.7.7. Установка з циркулюючим зернистим матеріалом:

1, 2 – теплообмінники;

3 – шлюзовий затвор; 4 – газодувка;

5 – пневмотранспортна стрічка;

6 – розподільник газу; 7 – сепаратор.

Вивантаження зернистого матеріалу з теплообмінника відбувається безперервно за допомогою шлюзового затвору. Охолоджений зернистий матеріал із другого теплообмінника надходить у пневмотранспортну лінію, по якій повітрям подається в бункер - сепаратор, де частки осаджуються і знову надходять у перший теплообмінник.

ПІДБІР ТЕПЛООБМІННИКІВ. При виборі конструкції теплообмінника виходять з того, що апарат повинний відповідати технологічному процесу, бути високоефективним (продуктивним), економічним і надійним в роботі, мати низьку металоємність; матеріал - корозієстійким у середовищах. Теплопередача досягається, коли теплоносії рухаються через теплообмінник з великими швидкостями. При збільшенні швидкості одного з теплоносіїв ,коефіцієнт теплопередачі підвищується, якщо коефіцієнт тепловіддачі з боку іншого теплоносія великий, а термічні опори стінки і забруднень невеликі. Якщо коефіцієнт тепловіддачі в міжтрубному просторі нижче, ніж у трубах, то зростання швидкості теплоносія в трубах не впливає на величину коефіцієнта теплопередачі; у цьому випадку збільшують коефіцієнт тепловіддачі в міжтрубному просторі, наприклад шляхом установлення в ньому перегородок.

Для визначення який з теплоносіїв пропускати по трубах, а який - із зовнішньої сторони труб, необхідно дотримуватися правил: для досягнення теплопередачі теплоносій з меншим коефіцієнтом тепловіддачі пропускати по трубах; теплоносій, з корозійною дією на апаратуру пропускати по трубах, тому що застосування антикорозійного матеріалу необхідно тільки для труб, решіток і камер, кожух не може бути зроблений із звичайного матеріалу; для зменшення втрат теплоти теплоносій з високою температурою пропускати по трубах; теплоносій, з якого виділяються осади, пропускати з тієї сторони поверхні теплообміну, яку легше очищати; теплоносій з високим тиском направляти в трубний простір, щоб корпус теплообмінника не знаходився під тиском.

Конструкція теплообмінника вибирається за техніко-економічним розрахунком , який включає визначення термічного опору при умовах теплообміну і процесу. Середня різниця температур визначається по тепловому навантаженню і площі поверхні теплопередачі: Δt_тр = Q(KF).