книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

При установке в таких аппаратах мешалок последние должны

чил в последнее время широкое применение в молочном, пиво­ варенном, винодельческом, консервном и других производствах для нагревания, охлаждения, пастеризации и стерилизации жид­ костей, почти не содержащих твердой фазы.

г

Рис. 70. Пластинчатый теплообменник:

а — общий вид, б — пластина, в и г — схемы дви­ жения потоков.

Он состоит из штампованных пластин 1, установленных на горизонтальных штангах 2, концы которых закреплены в стой­ ках 3 и 4. При помощи нажимной плиты 5 и винта 6 пластины плотно прижимаются одна к другой через резиновые проклад­ ки 7, приклеенные по периферии пластин и вокруг отверстий для прохода сред. Рабочие поверхности пластин рифленые, .что при­ дает им жесткость и обеспечивает турбулизацию протекающих по ним сред.

Таким образом, в собранном теплообменнике между пласти­ нами образуются каналы шириной 2—4 мм; по четным каналам движется среда /, по нечетным — среда II, а теплообмен между

130

ними происходит через стенку пластины, изготовленной изнер­ жавеющей стали толщиной 1 мм. При этом за счет турбулизации потоков и теплообмена в тонком слое коэффициент тепло­ передачи значительно выше, чем в других теплообменниках.

Каждая пластина (рис. 70, б) имеет четыре отверстия. При сборке пластин эти отверстия образуют четыре продольных кол­ лектора. На рис. 70,г показано противоточное движение пото­ ков / и II в одном пакете пластин. Поток / из коллектора рас­ пределяется параллельно между каждой парой пластин, прохо-

Рис. 71. Схема работы пластинчатого пастериза­ тора.

дит по каналам и выходит к нижнему коллектору. Поток // движется с другой стороны пластин противотоком.

Все пластины в теплообменнике собираются в пакеты. Па­ кетом называют группу пластин, между которыми продукт или теплоноситель движется только в одном направлении. Так, на­ пример, в секции из девяти пластин при противоточной схеме движения потоков имеется один пакет из четырех параллельных каналов для продукта и один пакет из таких же каналов для теплоносителя. Так как каждый канал ограничен двумя пласти­ нами, то всего в теплообменнике число пластин на единицу больше числа каналов для продукта и теплоносителя вместе взятых.

Подобная схема потоков может быть представлена в зашиф­

рованном виде как— . Числитель дроби относится к продукту,

4

а знаменатель — к теплоили хладоносителю. Количество чисел в числителе или в знаменателе, разделенных знаками плюс, со­ ответствует количеству пакетов в теплообменнике, соединенных между собой последовательно. Каждое такое число соответству­ ет числу каналов в данном пакете.

Если длина канала одного пакета пластин недостаточна для требуемого нагрева или охлаждения жидкости, то потоки вклю­ чаются последовательно.

Схема последовательного движения двух потоков через два пакета показана на рис. 70, в. При этом между данными паке­ тами ставится одна промежуточная пластина, через угловые от-

верстйя которой меняется направление движения потоков. В за­ висимости от общей длины канала число последовательно сое­ диненных пакетов может быть два, три и более.

В одном пластинчатом теплообменнике с помощью промежу­ точных пластин часто создают процессы нагревания и охлаж­ дения различными тепло- и хладоносителями. Схема трехсекци­ онного пластинчатого теплообменника для нагревания, пастери­ зации и охлаждения виноградного сока показана на рис. 71. По аналогичной схеме работают пастеризаторы для молока и дру­ гих сред.

Сок, подлежащий пастеризации, подается насосом в секцию регенерации 2, где происходит предварительное нагревание его до 65—68° С за счет охлаждения уже пропастеризованного сока, уходящего из секции пастеризации 3 через выдерживатель 4. Благодаря этому экономия в расходе тепла достигает 80% от общего расхода тепла на нагревание, а также уменьшается рас­ ход охлаждающей воды. Выходящий из секции 2 сок, проходит через секцию пастеризации 3, где он нагревается горячей водой

охлаждения в секции для регенерации 2 сок охлаждается водой, а затем рассолом до 5° С в секции 1 для охлаждения.

Пластинчатые теплообменники по сравнению с другими теп­

оптимальной схемы и необходимой поверхности теплообмена. Коэффициент теплоотдачи в пластинчатом теплообменнике

рекомендуют определять по формуле

листами 1 и 2, согнутыми в виде спиралей вокруг перегородки 3. По каналам прямоугольногосечения, образованным между листами, движутся среды I и II. С торцов каналы закрыты пло­ скими крышками 4 и уплотнены прокладками 6. Расстояние ме­ жду спиралями фиксируется бобышками или дистанционной полосой 7. У наружных концов спиралей и у центра крышки приварены патрубки для ввода и вывода сред.

Спиральный теплообменник имеет высокий коэффициент теп­ лопередачи, незначительное гидравлическое сопротивление и от­ личается большой компактностью; однако он сложен в изготов-

132

Рис. 72. Схема спирального теплообменника:

са, 8 ~ патрубки.

Продукт

хПдсод

Рис. 75. Схема пароконтактной стерили­ зации жидкости.

133

лении и непригоден для работы под давлением более (4-1-5) • •105 Па.

Т е п л о о б м е н н и к и с о р е б р е н н о й п о в е р х н о с т ь ю (рис. 73) применяют в тех случаях, когда условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки различны, например в трубе происхо­ дит конденсация пара, а снаружи труба омывается нагреваемым воздухом. Для лучшей теплоотдачи от стенки трубы к воздуху снаружи труб делают ребра.

В а п п а р а т е с р у б а ш к о й (рис. 74) теплообмен проис­ ходит через стенку корпуса. Рубашка крепится к корпусу при помощи фланца или сварки. По пространству, образованному рубашкой и корпусом, пропускается нагревающий или охлаж­ дающий агент. Такие аппараты изготовляют'с поверхностью до 10 м2, а для повышения коэффициента теплоотдачи их оборуду­ ют мешалкой.

В показанной на рис. 75 схеме пароконтактной стерилизации жидкость под давлением, превышающим давление греющего па­ ра, распыляется в нагревателе 1 и мгновенно обрабатывается в нем паром, а затем поступает в вакуумную камеру 2. Здесь из продукта испарением удаляются перешедший в него конден­ сат, а также летучие примеси, ухудшающие его вкусовые каче­ ства. Вакуум в системе создается с помощью водоструйного на­ соса 3.

5. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Для теплообменников составляют проектный и проверочный расчеты.

Конструктивный расчет производят при проектировании но­ вого теплообменника, когда известны или заданы количество на­ греваемого или охлаждаемого продукта и его параметры на вхо­ де в теплообменник и на выходе из него. При этом определяют необходимую поверхность теплообмена, расход теплоносителя или хладагента, геометрические размеры теплообменника задан­ ной конструкции, его гидравлическое сопротивление и механиче­ скую прочность.

Проверочные расчеты выполняют для того, чтобы определить, можно ли использовать имеющийся теплообменник для тех или иных целей, определяемых технологическими требованиями. При этом очень важно правильно выбрать оптимальные скорости дви­ жения потоков, так как это имеет решающее значение при кон­ струировании и эксплуатации теплообменника. С увеличением скорости w потоков увеличивается коэффициент теплопередачи /?, а следовательно, уменьшается необходимая поверхность теп­ лопередачи, что в свою очередь ведет к уменьшению габаритных размеров теплообменника и его стоимости. Увеличение скорости, кроме того, уменьшает возможность образования нагара и дру­ гих загрязнений на поверхности нагрева. Однако чрезмерное повышение скорости движения потока увеличивает гидравличе­

134

ское сопротивление теплообменника и приводит к вибрации труб и гидравлическим ударам. Оптимальная скорость определяется из условий достижения желаемой степени турбулентности пото­ ка. Поэтому обычно стремятся, чтобы скорость потока в трубах соответствовала критерию R e>10 000.

В связи с этим рекомендуются следующие оптимальные ско­ рости движения w (в м/с): воды и жидкостей с умеренной вязко­ стью — 0,6—1,5, вязких жидкостей — 0,2—0,6, воздуха и газов при умеренном давлении—8—12, насыщенного пара под давлением— 25—30, насыщенного пара под вакуумом—35—45.

Рассмотрим конструктивные и тепловые расчеты некоторых теплообменников.

а) Расчет кожухотрубного теплообменника

В трубных решетках отверстия для труб размещают равно­ мерно по всему сечению теплообменника. Такое размещение сравнительно легко осуществить в одноходовом теплообменнике, тогда как в многоходовом теплообменнике, имеющем перегород­ ки в камерах, размещение труб обычно производят графическим путем.

При размещении труб шаг t принимают в зависимости от на­

При известной из теплового расчета поверхности теплопере­ дачи F (в м2), среднем диаметре dcp (в м) и принятой длине I (в м) одной трубы общее число труб п в теплообменнике опреде­ ляют из формулы

откуда

F

п— ------- ,

I

При заданном расходе жидкости V (в м3/с) и принятой скоро­ сти движения ее ® (в м/с) по трубам с внутренним диаметром d (в Ui) число труб в одном ходу (пучке)

4V

(156)

nd2 w

Число ходов в трубном пространстве теплообменника

Для определения геометрических размеров одноходового ко­ жухотрубного теплообменника рекомендуется следующая мето­ дика расчета:

135

Формула (159) удобна для расчета геометрических размеров теплообменника тем, что в ней взаимосвязаны величины F, t, f

ир.

2.Согласно рис. 76 диаметр трубной решетки, или внутрен­

ний диаметр кожуха, теплообменника D (в м)

3. Рабочую длину I (в м) одной трубы теплообменника нахо­ дят из уравнения (155):

или

/= рD .

4.Полная высота (длина) теплообменника Н (в м)

136

емкость массы с = 4000 Дж/(кг-К)- Потери тепла в окружаю­ щую среду Qn = 3%- Коэффициент теплопередачи k — = 800 Вт/(м2-К). Трубы в теплообменнике — стальные, диамет­

ром 38/42 ММ.

Р еш ен и е . Тепловая нагрузка теплообменника [по форму­ ле (122)]:

Полезную разность температур определим по формуле (126):

Необходимая поверхность теплообмена [по формуле (121)]:

Число труб, которое разместится на диаметре трубной ре­ шетки, если t = 1,4 йш и р= 4, определим по формуле (159):

з

Пй- / i n 4-7 = 6,6;

14-0,042-1,4-0,042-4

принимаем tid— 7.

Общее число труб, которое разместится в трубной решетке по вершинам правильных треугольников в пределах вписан­ ного в круг шестиугольника [по формуле (158)] п=0,75(72—

— 1) + 1=37 труб.

Внутренний диаметр кожуха теплообменника [по формуле

(160)].

D = (7— 1)-1,4-0,042+ 4-0,042=0,5 м.

Длина одной трубы [по формуле (161)]:

7

/= --------------- = 1,5 м. 3,14-0,04-37

Полная высота теплообменника

Змеевик в аппарате размещают так, чтобы он по своей высо­ те находился в жидкости и со всех сторон не доходил до стенок

137

Общую длину труб змеевика находят из уравнения

Длина одного витка tB (в м) змеевика

/в ^ л£>в.

Число витков п в змеевике.

_ JL_

в) Расчет пластинчатого теплообменника

Рассмотрим тепловой и конструктивный расчет пластинчато­ го теплообменника, служащего для пастеризации виноградного сока (см. рис. 71).

Получаемая в этом теплообменнике экономия тепла за счет двукратного использования его выражается коэффициентом ре­ генерации е.

Коэффициент регенерации представляет собой отношение ко­ личества тепла Q p , переданного продукту в секции регенерации, к общему количеству тепла Q 0 , затраченному на нагрев сока от

где Qn — расход тепла на нагрев сока в секции для пастеризации, Вт.

Так как Qp= e Q 0, то Qn= Q o —eQ0= Q o (l—е),

или

Qn = (1 — 8) Gc (tn — 60

и

Поверхность теплопередачи секции для регенерации, или

138

производительность теплообменника, определим из следующего уравнения:

где Fp — поверхность теплопередачи в секции регенерации, м2;

kp — коэффициент теплопередачи в секции регенерации, Вт/(м2-К);

Д^р — средняя разность температур в секции, °С.

Разность температур Д/р в начале и конце секции регенера­ ции при установившемся процессе остается постоянной и опре­ деляется по формуле

Ыр = ta — tp.

Из формулы (166) имеем:

= ~Ь Б (tn — to) ,

тогда

Поверхность нагрева секции пастеризации, или производи­ тельность пастеризатора, находят из следующего уравнения:

Fn kn Atn = Q„ = (1 - е) Gc (ta - 1„),

где tT,а и tT.к — начальная и конечная температура горячей воды, °С.

Расход горячей воды Wr (в кг/с) в секции пастеризации

После пастеризации и выдержки сок охлаждается водой (или рассолом) в секции охлаждения до конечной температуры; при этом количество тепла Q0 (в Вт), отданное охлаждающей воде;

Q0 = Gc (t„ — tк) — Qp = Gc (tn— tK) — bGc (tn — tH) ,

или

Поверхность теплопередачи F0 (в м2) в секции охлаждения

139