4.1.5. Аппараты для нагревания и охлаждения

Нагревание и охлаждение продуктов осуществляется в теплообменных аппаратах (теплообменниках), в которых теплота перелается от одного теплоносителя другому. Аппараты для нагревания и охлаждения могут быть простыми теплообменниками, выпарными аппаратами, конденсаторами, пастеризаторами, испарителям: деаэраторами, экономайзерами и т. п. Их можно разделить на собственно теплообменники, в которых теплообмен — основной технологический процесс, и реакторы, в которых он имеет вспомогательное, хотя и необходимое назначение.

Теплообменники классифицируют по следующим признакам:

по технологической схеме — на прямоточные, противоточные и с поперечным током теплоносителей;

по режиму работы — на теплообменники периодического и непрерывного действия;

по способу передачи теплоты — на теплообменники смешения, или контактные, в которых теплоносители перемешиваются (т. е. осуществляется их контакт), и поверхностные, в которых тепло­носители разделены твердыми стенками;

по основному назначению — на подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы (конденсоры);

по сочетанию фазовых состояний рабочих сред — на жидкостно-жидкостные, парожидкостные и газожидкостные;

по конструктивным признакам.

В качестве теплоносителя в пищевой промышленности наиболее широко применяют насыщенный или перегретый водяной пар. В поверхностных теплообменниках из него выпадает стекающая по стенкам влага. Высокая теплота фазового перехода воды обусловливает высокую эффективность этого теплоносителя. В сравнении с ним обогрев горячей водой существенно менее эффективен и неизбежно связан с изменением температуры перегретого водяного пара. Для его перегрева необходимо повышение давления. Например, для достижения температуры 115 °С необходимо избыточное давление пара 0,07 МПа (-0,7 кгс • см²), а температуры 150...160 °С — давление 0,5...0,7 МПа.

Минеральное масло, используемое в качестве теплоносителя, позволяет работать при температурах до 200 °С.

Обогрев горячими газами и воздухом в печах и сушильных установках позволяет работать при температурах 300...1000 °С. Интенсивность теплообмена при этом невелика, а поверхности, соприкасающиеся с топочными газами, сильно загрязняются.

В холодильной технике в качестве теплоносителей используют хладагенты: воздух, рассолы, аммиак, диоксид углерода, фреоны и др.

4.2. Типичные схемы теплообменников

Различают следующие группы конструкций теплообменников: элементные, с рубашками, кожухотрубные, погружные трубчатые, оросительные и с плоскими поверхностями нагрева.

Теплообменники с рубашками. Имеют двойные стенки разнообразной конфигурации, через которые происходит теплообмен. Скорость движения теплоносителей в рубашках мала, и потому теплообмен не очень интенсивен. Часто для его интенсификации в теплообменники встраивают мешалки (рис. 25.1).

На рисунках 25.1...25.3 приведены типичные схемы теплообменников, различающихся способами организации пространственного поля температур.

В аппаратах полного смешения организуется перемешивание теплоносителя в объеме аппарата; это приводит к выравниванию температур в объеме (см. рис. 25.1).

В аппаратах полного вытеснения (рис. 25.2) полностью отсутствует перемешивание данного теплоносителя. Новые его порции, поступающие в аппарат, вытесняют старые, не смешиваясь с ними.

В аппаратах, выполненных по промежуточной схеме (рис. 25.3), имеют место элементы как первой, так и второй вышеназванных схем. Температуры подогреваемого теплоносителя в этой схеме и в схеме полного вытеснения изменяются по длине аппарата экспоненциально, хотя и с разными показателями экспонент.

Кожухотрубные теплообменники. Наиболее распространены в пищевых производствах. Они представляют собой пучок труб, размещенных в кожухе. Трубки закрепляют, например, завальцовывают в межтрубные решетки, отделяющие полость межтрубного

движущихся по обеим полостям теплообменника, стрелками К— поток конденсата греющего пара, Г— поток неконденсирующихся газов, выделяющихся при конденсации.

Цилиндрические трубки имеют относительно неблагоприятное с точки зрения теплообмена отношение площади проходного сечения к площади их поверхности: поверхность относительно мала. В связи с этим для нагрева больших массовых потоков жидкости, текущих по трубам, требуется большая длина труб. Поэтому для сокращения размеров теплообменников их разделяют на секции, соединенные последовательно. Общая длина пути теплоносителя при этом увеличивается. Такие теплообменники называют многоходовыми. Известны разнообразные конструкции многоходовых теплообменников: с перекрывающими движение перегородками; с U-образными трубками на одной трубной решетке, вынимаемой из корпуса; с плавающей головкой — коллектором, заменяющим нижнюю соединительную часть U-образных трубок, и др. Вход и выход теплоносителя в теплообменниках устраивают таким образом, чтобы естественное тепловое конвективное движение совпадало с направлением принудительного движения теплоносителя. Для этого более теплый и охлаждающийся компонент подводят сверху, а холодный подогреваемый — снизу. Это условие невозможно выдержать в многоходовых теплообменниках, установленных вертикально, поэтому их часто устанавливают горизонтально.

Одноходовые теплообменники предпочтительно устанавливать вертикально. Однако имеются и другие соображения, которые могут заставить изменить способ их установки: удобство чистки труб, удобство монтажа в конкретном здании и др.

На рисунке 25.5, а приведен продольный разрез четырехходового теплообменника, на рисунке 25.5, б показано устройство перегородок в его верхней и нижней распределительных коробках. Две перегородки в верхней коробке обозначены сплошными линиями, одна перегородка в нижней коробке показана пунктирной линией. На рисунке 25.5, в, г приведено устройство перегородок в верхней и нижней распределительных головках восьмиходового кожухотрубного теплообменника.

Элементные теплообменники (составленные из простых однотипных элементов). Их применяют как скоростные, т. е. при больших скоростях течения, а также при высокой стоимости теплоносителя (в холодильной технике). В элементных холодильниках входная и выходная полости отсутствуют и благодаря этому их рабочие полости минимизируются. В результате теплоносителя требуется меньше. В таких теплообменниках можно соблюсти противоточное движение компонентов и выдержать желаемые их скорости.

Погружной трубчатый теплообменник. Имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью. Более горячее рабочее тело обычно подают в змеевик сверху. Теплообмен может интенсифицироваться мешалками. Витки змеевика скрепляют планками для прочности. Такие теплообменники применяют при большом давлении в трубках, а также в качестве дополнительных подогревателей.

Оросительные теплообменники. Это трубчатые спирали с горизонтальными витками, размещенными в одной вертикальной плоскости. При орошении верхнего витка этой спирали вода стекает на нижерасположенные витки и охлаждает также и их. Применяют оросительные теплообменники в холодильной технике при высоком давлении внутри трубок.

Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева. Это оребренные трубчатые теплообменники с ребрами в виде пластин (калориферы) и пластинчатые теплообменники.

Живое сечение межтрубного пространства калориферов составляет около 40 %. Их расчет выполняют по справочным данным каталогов калориферов, в которых приводят коэффициент теплопередачи в зависимости от скорости воздуха и температуры теплоносителя, а также гидравлическое сопротивление по воздушному тракту.

Пластинчатые жидкостные и парожидкостные теплообменники собирают из пакетов стальных штампованных пластин. Такие элементы соединяют в батареи.