Практическая работа 11 - Процессы и аппараты пищевых производств

# Процессы и аппараты перерабатывающих производств

5В073200- Стандартизация и сертификация __ст.преводаватель__ Саидов А.М.

## Практическая работа 11

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Цель: сформировать представление об устройстве и принципах работы теплообменных аппаратов

План

1 Общие сведения

2 Кожухотрубный теплообменник

3 Теплообменники типа «труба в трубе».

4 Змеековый теплообменник

5 Спиральный теплообменник

6 Пластинчатый теплообменник

7 Теплообменник с рубашкой

1 Общие сведения

Теплообменные аппараты (теплообменники) — это аппараты, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.

В теплообменниках могут происходить разные процессы: нагревание, охлаждение, испарение, выпаривание, конденсация, затвердение и сложные комбинированные процессы.

Теплообменники применяются практически во всех отраслях пищевой промышленности, например, пастеризация пива в пластинчатом теплообменнике, выпаривание диффузионного сока в сахарном производстве, уваривание карамельной массы в кондитерском производстве, конденсация вторичного пара при выпаривании растворов и др.

Рекуперативные (поверхностные) теплообменники имеют теплоносители, разделенные стенкой, и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку.

В регенеративных теплообменниках передача теплоты происходит посредством соприкосновения одного теплоносителя с ранее нагретыми телами — неподвижной или перемещающейся насадкой, периодически нагреваемой или охлаждаемой другим теплоносителем.

Смесительные теплообменники — аппараты, в которых теплообмен осуществляется без разделительной стенки между теплоносителями при их непосредственном соприкосновении.

Рекуперативные (поверхностные) теплообменники. Теплообменники рекуперативные (поверхностные) выпускаются следующих типов:

трубчатые — кожухотрубные, типа «труба в трубе», оросительные, погружные (змеевиковые);

спиральные;

пластинчатые — с оребренной поверхностью теплообмена;

с поверхностью, образованной стенками аппарата.

2 Кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубный одноходовой теплообменник (рис. 4.4, а) представляет собой аппарат, состоящий из пучка труб 4, жестко закрепленных в трубных решетках 2 и ограниченных кожухом 3 и крышками 1 со штуцерами. Между крышками и трубами образуется трубное пространство, а между кожухом и наружной поверхностью труб — межтрубное пространство.

Трубное и межтрубное пространства, по которым движутся теплоносители, разделены между собой поверхностью теплообмена, причем каждое из них может быть поделено перегородками на несколько ходов. На рис. 4.4, б изображен многоходовой теплообменник, который имеет два хода (/ и II) по трубному пространству. Перегородки устанавливаются в целях увеличения скорости движения теплоносителей, а следовательно, и интенсивности теплообмена. В этих аппаратах перегородки в крышках делят трубы на секции, через которые последовательно проходит жидкость. Число труб в секциях одинаково. В многоходовом теплообменнике по сравнению с одноходовым такой же площадью поверхности скорость и коэффициент теплоотдачи возрастают соответственно числу ходов.

3 Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 4.7) включают в себя несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы 1 большого диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы 2. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой и наружные трубы. Для очистки внутренние трубы соединяют с помощью закругленных труб «калачей» 3.

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей

как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

Преимуществами теплообменников типа «труба в трубе» являются: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей; простота изготовления.

К недостаткам этих теплообменников можно отнести громоздкость; высокую стоимость ввиду большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене; трудность очистки межтрубного и трубного пространства.

4 Погружные змеевиковые теплообменники. Погружные змеевиковые теплообменники состоят из змеевиков, помещенных в сосуд с жидким теплоносителем. Внутри змеевиков движется другой теплоноситель. При большом количестве этого теплоносителя для сообщения ему необходимой скорости используют змеевики из нескольких параллельных секций.

На рис. 4.8 показан змеевиковый теплообменник погружного типа, состоящий из цилиндрических змеевиков /, установленных в цилиндрическом корпусе 2. Змеевик выполнен из концентрически расположенных параллельных секций.

Преимуществами погружных теплообменников являются: простота изготовления; доступность поверхности теплообмена для осмотра и ремонта; малая чувствительность к изменениям режима вследствие наличия большого объема жидкости в сосуде.

К недостаткам этих теплообменников относятся: громоздкость; неупорядоченное движение жидкости в сосуде, в результате чего теплоотдача снаружи змеевиков происходит путем свободной конвекции с невысоким коэффициентом теплопередачи; трудность внутренней очистки труб.

5 Спиральные теплообменники. Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов, по которым движутся теплоносители /и //(рис. 4.9).

Каналы образуются тонкими металлическими листами / и 2, которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние концы листов, расположенных в виде спиралей, соединены разделительной перегородкой 3. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними имеются прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками 4.

Преимущества спиральных теплообменников: компактность; возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи; при тех же скоростях гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников меньше сопротивления многоходовых кожухотрубных теплообменников.

К недостаткам относятся: сложность изготовления (необходим специальный намоточный станок) и ремонта; непригодность для работы под избыточным давлением свыше 6 ат (или 10 ат); трудность очистки от накипи.

6 Пластинчатные теплообменники. Широко применяются в молочном, пивоваренном, винодельческом, консервном и других производствах для нагревания, охлаждения, пастеризации и стерилизации жидкостей.

Конструкция пластинчатого теплообменника (рис. 4.10, а) зависит от предъявляемых к нему производственных требований. Отличительной особенностью этих теплообменнике является то, что поверхность их нагрева состоит из гофрированных пластин 2 м 5, соединяемых последовательно и снабженных промежуточными прокладками. С помощью пластин создается система узких каналов шириной 3... 6 мм с волнистыми стенками. Теплоносители движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины. Пластины стянуты стяжным винтовым устройством 4 между головными плитами / и 3. Теплоноситель /движется по нечетным каналам 5, теплоноситель II — по четным каналам 2 (рис. 4.10, б).

Все пластины в теплообменнике собираются в пакеты. Пакетом называют группу пластин, между которыми теплоноситель движется в одном направлении.

Собранные в пакеты пластины образуют плоскопараллельные каналы, по которым проходят теплоносители (см. рис. 4.10, б). Пакеты с небольшим числом пластин в каждом соединяются последовательно по ходу теплоносителя.

Площадь поверхности теплообмена одной пластины F\ для теплообменников:

без промежуточных листов

Суммарная длина каналов в одной пластине:

nd3z

где d3 — эквивалентный диаметр канала, м; z — число каналов на одной стороне пластины.

В одном пластинчатом теплообменнике с помощью промежуточных пластин часто создают процессы нагревания и охлаждения разными тепло- и хладоносителями.

К преимуществам таких теплообменников относятся: большие скорости движения теплоносителей и высокие коэффициенты теплопередачи при сравнительно низком сопротивлении благодаря малому расстоянию между пластинами; теплоносители можно пропускать через пластинчатый теплообменник противотоком, прямотоком и по смешанной схеме.

Недостатками этих аппаратов являются: диапазон рабочих температур и сред, ограниченный термической и химической стойкостью прокладочных материалов; трудности очистки от накипи.

7 Теплообменники с поверхностью теплообмена, образованной стенками аппарата. Простейшим аппаратом данной группы является теплообменник с рубашкой и якорной мешалкой (рис. 4.11). Рубашка крепится к корпусу (сваркой) или к фланцу аппарата (на болтах). По замкнутому пространству между рубашкой или наружной поверхностью корпуса пропускается нагревающий (пар) или охлаждающий агент. Применение таких рубашек ограничено допустимым избыточным давлением, не превышающим 10 ат.

Рис. 4.11. Теплообменник с рубашкой и

якорной мешалкой

Якорная мешалка применяется для предотвращения образования осадка или накипи на днище и для равномерного нагревания (охлаждения) всей массы.

Регенеративные теплообменники. В регенеративных теплообменниках в качестве насадки применяют кирпичи, зернистый материал, металлические листы, шары, алюминиевую фольгу и др. В течение первого периода (период нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, причем отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки и в
ней же аккумулируется. В течение

второго периода (период охлаждения насадки) через аппарат пропускают холодный теплоноситель, который нагревается за счет теплоты, аккумулированной насадкой. Периоды нагревания и охлаждения насадки продолжаются от нескольких минут до нескольких часов.

Для непрерывного осуществления теплопередачи между теплоносителями необходимы два регенератора: в то время как в одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении.

Контрольные вопросы

1. Как устроены кожухотрубный, пластинчатый, змеевиковый, спиральный теплообменники? Какие достоинства и недостатки присущи этим теплообменникам?

2. В чем заключается расчет кожухотрубного теплообменника?

3. Какими способами осуществляется процесс выпаривания и какие конструкции выпарных аппаратов применяются в пищевой отрасли?

4. От каких параметров зависит выбор выпарной установки и определение оптимального числа корпусов в ней?

5. При каких условиях происходит процесс конденсации паров и газов?

6. Как устроены поверхностный конденсатор и конденсатор смешения?

7. Чем различаются конденсаторы смешения «мокрого» и «сухого» типов?

8. В чем заключается расчет барометрического конденсатора смешения?

9. Какие хладагенты используются для охлаждения газов, паров и жидкостей?

10. Перечислите основные конструктивные элементы паровых компрессионных холодильных установок.