1. Опис проектованого апарату
У різних галузях харчової промисловості, зокрема, у пивоварінні, молочному виробництві, широко застосовуються пластинчаті теплообмінники для здійснення теплових процесів.
Пластинчатий теплообмінник – один з видів рекуперативних теплообмінних апаратів, в основі роботи якого лежить теплообмін між двома середовищами через контактну пластину без змішування. В залежності від конструкції розрізняють розбірні, паяні, зварні і напівзварні пластинчаті теплообмінники.
Пластинчатий розбірний теплообмінник – це пристрій, в якому основну функцію теплопередачі між теплоносіями виконує пакет пластин. Середовища не змішуються між собою завдяки чергуванню пластин з щільними гумовими прокладками, які утворюють два контури руху. Свою назву «розбірні» даний тип апаратів отримав через те, що пакет пластин не лише збирається, але й розбирається під час регулярного обслуговування (промивання) або ремонту.
Типовий теплообмінник пластинчатий розбірний складається з наступних основних елементів (рис. 1.1) [1]:
нерухомої і рухомої затискних і проміжних плит;
верхньої і нижньої спрямовуючих;
опорної стійки;
пластин з ущільненнями.
Пакет пластин підвішується і вирівнюється за допомогою верхньої і нижньої спрямовуючих і втримується у стисненому стані стяжкою шпильок між нерухомою і рухомою плитами. Така конструкція дозволяє легко розбирати теплообмінник для огляду, очищення і модифікації. Між двома затискними плитами за допомогою стяжних шпильок затиснуті теплообмінні пластини.
Рис.
1.1 – Схема пластинчатого теплообмінника:
1 – нерухома плита; 2 – рухома плита; 3 – верхня спрямовуюча; 4 - нижня спрямовуюча; 5 – опорна стійка; 6- пакет пластин; 7 – стяжна шпилька; 8 – з’єднувальний порт
Конструкція теплообмінника забезпечує легке розбирання для огляду і чищення. кожна пластина теплообмінника спресована в єдине ціле, без з’єднань або зварних швів. В кожній пластині, крім кінцевих і поворотних, пробито чотири отвори, по одному в кожному куту. Кінцеві пластини мають непробиті отвори.
Багатоходові теплообмінники мають спеціальні поворотні пластини, в яких кілька отворів не пробиті.
Паяні теплообмінники відрізняються від розбірних тим, що пластини в пакеті спаяні між собою, тому збирання/розбирання такого пакету неможливе. Вони використовуються переважно у побутовому секторі, наприклад, в системах опалення приватних будинків, де підключаються до водогрійних котлів.
У напівзварних апаратах пластини попарно зварені між собою. Із зовнішньої сторони такого міні-пакету кріпляться ущільнення, до яких далі кріпиться другий міні-пакет [2].
У
зварних теплообмінниках пластини
зварені між собою без використання
ущільнювачів.
Переваги пластинчатих теплообмінників наступні:
зручність транспортування і монтажу, оскільки пластинчатий теплообмінник має менші габарити, ніж інші види рекуперативних теплообмінних апаратів;
простота обслуговування – розбірні, напівзварні і зварні теплообмінники легше промивати, оскільки вони або повністю розбираються, або частково надають доступ до пластин;
високі експлуатаційні характеристики – ККД досягає 95%;
вартість пластинчатих теплообмінників нижче, ніж аналогічних кожухотрубних, спіральних або блокових.
Серед недоліків пластинчатих теплообмінників відмітимо наступні:
пластини мають малу товщину, тому є чутливими до дії блукаючих струмів, що призводить до появи дірок в них і вимагає заземлення;
підвищені вимоги до чистоти теплоносіїв. Оскільки відстань між пластинами невелика, канали засмічуються швидше, ніж внутрішні поверхні кожухотрубних теплообмінників, що, в свою чергу, призводить до більш швидкого зниження коефіцієнту теплопередачі і, відповідно, ККД пластинчатого теплообмінника.
Крім пластинчатих теплообмінників в харчовій промисловості також використовуються теплообмінні апарати «труба в трубі» і кожухотрубні.
Ефективним варіантом забезпечення теплового обміну є поверхнева схема типу «труба в трубі». Типовий двотрубний теплообмінник «труба в трубі» (рис. 1.2) складається з двох труб: внутрішньої 1 меншого діаметра і зовнішньої 4 більшого діаметра.
Звичайно
з’єднують послідовно один з одним у
батарею декілька таких простих
теплообмінних елементів за допомогою
фланцевих з’єднань 3 і колін 2. У
двотрубних теплообмінниках можна
створити високі швидкості теплоносія
і
продукту. У зв’язку з цим апарати
характеризуються порівняно високим
коефіцієнтом теплопередачі.
Рис. 1.2 – Теплообмінник типу «труба в трубі»
Виходячи з конструктивних особливостей, теплообмінники «труба в трубі» набувають наступних переваг [5]:
оптимальний режим транспортування рідини;
зручність обслуговування - чищення труб теплообмінника і транспортної системи виконується без труднощів. Крім того, у випадку поломки ці пристрої можна швидко відремонтувати шляхом демонтажу пошкодженого модуля і установки нової деталі з аналогічними характеристиками;
відсутність обмежень по типу середовища, використовуваного в системі транспортування або теплообміну (крізь теплообмінник можна прокачувати воду, пар, в'язкі рідини, газоподібні середовища).
Серед недоліків схеми «труба в трубі» можна відзначити значні габарити системи та її високу вартість. На створення такого теплообмінника витрачається досить велика кількість металу. Для виготовлення використовується високоякісна листова сталь, яка має стійкість до агресивних середовищ і впливу високих температур.
Типовий
кожухотрубний теплообмінний аппарат
(рис. 1.3) складається з пучка труб,
закріплених в трубних решітках та
обмежених кожухом, кришками тощо.
Трубний та міжтрубний простори, в яких
рухаються гарячий та холодний теплоносії,
відокремлені один від одного поверхнею
теплообміну, причому кожен із цих
просторів може бути розділено
перегородками на декілька ходів.
Рис. 1.3 - Горизонтальний багатоходовий кожухотрубний теплообмінний апарат жорсткої конструкції:
1 – кожух; 2 – трубчатка; 3 – трубна решітка; 4 – трубки; 5, 6, 7 – патрубки для вводу та виводу, відповідно, насиченої пари, конденсату та речовини; 8 – кришка еліптична; 9, 10 – фланець, відповідно, для патрубків та частин апарата; 11, 12 – перегородки, відповідно, трубного та міжтрубного простору; 13 – прокладка; 14 – горизонтальна опора
Отже, теплообмінний апарат складається з кожуху 1, в якому розміщена трубчатка 2, яка в свою чергу складається з двох трубних решіток 3 та пучка труб 4, які з’єднуються з трубними решітками за допомогою розвальцювання чи зварювання. Для підведення та відведення теплоносіїв (насичена пара, конденсат, водний розчин) апарат оснащено патрубками чи штуцерами 5, 6, 7. З торців апарат обмежено кришками 8. З метою підтримання потрібної швидкості теплоносіїв (для забезпечення високих коефіцієнтів тепловіддачі) та для зменшення вібрації трубного пучка в теплообмінному апараті встановлено перегородки 11 і 12, які розділяють трубний та міжтрубний простори на секції,
при
цьому забезпечується певна послідовність
проходження теплоносіїв, як у трубному,
так і у міжтрубному просторах. Для
приєднання частин трубопроводів,
арматури до патрубків вводу-виводу
теплоносіїв та для з’єднання окремих
вузлів апарата використовують фланці
9, 10. Крім того, для надійної та безпечної
роботи при з’єднанні вузлів апарата
застосовують ущільнювальні прокладки
13. Теплообмінний апарат на місці
експлуатації встановлюють на опори 14.
Кожухотрубні теплообмінники з гладких труб набули найбільше поширення і складають до 70 % всього теплообмінного обладнання харчових виробництв. Їх широке використання обумовлене налагодженим виробництвом машинобудівними заводами для різних середовищ, робочого тиску і температур, уніфікацією і стандартизацією, надійністю в роботі і великим виробничим досвідом їх експлуатації [4].
В рамках даного курсового проекту для подальшого проектування обрано розбірний пластинчатий теплообмінник, призначений для нагрівання пива, зокрема, в установці пастеризації пива. В якості гарячого теплоносія передбачено використання гарячої води. Теплообмінник оснащений контрольно-вимірювальною апаратурою для вимірювання витрати робочих середовищ, їх температури на вході і виході теплообмінника.