Розрахунок та проектування кожухотрубного теплообмінника для пастеризації продукту

• вимушений рух виникає під дією якого-небудь збудника (насоса, вентилятора, мішалки);
• вільний рух — унаслідок різниці густини нагрітих і холодних частинок середовища, яке обумовлене наявністю різниці температур.

У першому випадку це буде вимушена конвекція, в другому — природна конвекція.

У всіх випадках руху теплоносія біля твердої стінки утворюється тепловий шар, термічний опір якого відрізняється від термічного опору теплоносія, що рухається.

Вимушена конвекція відбувається під дією якого-небудь зовнішнього джерела енергії.

При русі потоку теплоносія в теплообмінних апаратах спостерігається вплив поля температур на поле швидкостей.

Процес тепловіддачі при перебігу рідини в трубах є складнішим у порівнянні з процесом тепловіддачі при обмиванні поверхні необмеженим потоком. Рідина, що протікає оддалік поверхні, не випробовує впливу процесів, що відбуваються біля стінки. Перетин труб має кінцеві розміри. В результаті, починаючи з деякою відстанню від входу, рідина по всьому поперечному перетину труби випробовує дію сил в'язкості, відбувається зміна температур рідини як по перетину, так і по довжині каналу. Все це позначається на інтенсивності тепловіддачі.

Рис. 1 Схема кожухотрубного багатоходового теплообмінника.

Через малу швидкість руху теплоносіїв одноходові теплообмінники працюють з низьким коефіцієнтом тепловіддачі. Щоб збільшити швидкість руху теплоносіїв, застосовують багатоходові теплообмінники (рис. 1), в яких пучок труб за допомогою поперечних перегородок 1, встановлених у кришках, розділений на кілька секцій (ходів), по яких теплоносій І проходить послідовно. Швидкість руху теплоносія ІІ в міжтрубному просторі підвищують, встановлюючи ряд сегментних перегородок 2. З двох теплоносіїв, що рухаються в трубках і в міжтрубному просторі, треба збільшувати швидкість руху насамперед того, в якого при теплообміні вищий термічний опір.   

Проектуючи кожухотрубні теплообмінники, теплоносій, що найбільше забруднює поверхню теплообміну, спрямовують у труби (трубний простір), які легше очищати.

Кожухотрубні теплообмінники використовуються, в основному,  для теплообміну між двома рідинами і між рідиною і парою, що конденсується. 

В останньому випадку рідина пропускається по трубах, а пара – в між-трубному просторі.

Для підтримання необхідного температурного режиму роботу теплообмінників регулюють шляхом зміни кількості середовища, що

подається.  для цього існують регулюючі вентилі, які працюють автоматично або  в ручному режимі.

Процеси теплообміну відбуваються повсюди, де необхідно нагрівати або охолоджувати те чи інше середовище з метою його обробки або для утилізація тепла. Для передачі тепла від середовища з високою температурою до середовища з низькою використовуються теплообмінні апарати різних конструкцій.

Вимоги до промислових теплообмінних апаратів в залежності від конкретних умов використання досить різноманітні. Наприклад, ефективність пастеризації залежить від конструкції пастеризатора. Вони повинні відповідати таким вимогам: забезпечувати рівномірність нагрівання молока до потрібної температури,максимально зберігати склад та структуру молока, не допускати руйнування вітамінів; легко розбиратись і очищатися після кожного використання.

У теплообмінних апаратах здійснюється майже всі види теплових процесів, тому залежно від виконуваних функцій її поділяють на такі основні групи: нагрівачі, випарники і кип'ятильники, холодильники і конденсатори випарні апарати, пастеризатори, регенератори, деаератори та ін.

Залежно від виду робочих середовищ розрізняють:

-рідинно-рідинні - при теплообміні між двома рідкими середовищами;

-паро рідинні - при теплообміні між парою і рідиною;

-газорідинні - при теплообміні між газом і рідиною.

За способом передачі теплоти розрізняють теплообмінники:

1. Поверхневі (рекуператори),в яких тепло передається крізь поверхню нагріву - тверду (металеву) стінку,що розділяє різні середовища.

2. Теплообмінники змішувальні,в яких робочі середовища безпосередньо стикаються або перемішуються.

За основним призначенням розрізняють підігрівачі, випарювачі, холодильники, конденсатори.

За тепловим режимом розрізняють теплообмінники:

  1. Періодичної дії, в яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес. Внаслідок зміни виду оброблюваного продукту,а відповідно і властивостей,а також кількості продукту параметру процесу постійно варіюються в робочому об'ємі апарата.

  2.Безперервної дії зі сталим у часі процесом. Він характеризується постійністю теплового режиму і витрат робочих середовищ,що протікають у теплообміннику.

  Теплообмінні апарати , що використовуються у громадському харчуванні , на думку професора Ліпатова H.H.,можна поділити на такі основні типи:

   1.  Апарати з відкритою гріючою поверхнею, або як їх ще називають апарати з проміжною поверхнею нагрівання. У них тепло від граючої поверхні передається не продукту,а стінці ємкості,в якій знаходиться продукт.

   2.  Апарати з сорочкою. За способом отримання теплоносія (пар,вода, високотемпературні речовини) їх поділяють на апарати з підводом тепла із централізованих джерел,а також з автономним отриманням носія. За способом нагріву теплоносія,що отримується автономно,можна виділити апарати з нагріванням від електронагрівачів, пари,а також з вогневим обігріванням.

   3.  Апарати із лежачою всередині поверхнею нагрівання. У якості гріючих елементів,поверхня яких має безпосередній контакт з рідиною, що нагрівається, можуть бути використані тени, змієвики, трубчасті теплообмінники. Апарати з всередині лежачою поверхнею нагріву служать в якості кип'ятильників чи водонагрівачів. Пристрої з теплом для високотемпературного нагріву призначені для смаження у фритюрі.

  4.  Апарати з поверхневими нагрівачами без теплоносіїв. В них тепло передається безпосередньо від нагрівача до стінок апарата. До даного виду

апаратів умовно можна віднести теплообмінники,в яких стінки обігріваються відкритим теплом.

  5.  Апарати з променевим нагрівом. Головне їхнє призначення полягає у приготуванні смажених продуктів. В цих апаратах в якості променевої енергії використовуються інфрачервоні випромінювачі або високотемпературні тени. Прогрівання продукту відбувається за рахунок променевого нагріву поверхні продукту і передачі теплоти теплопровідністю. Певну роль відіграє у цих апаратах конвективний теплообмін з природним рухом повітря.

  6.  Апарати з променево-конвективним нагрівом. Завдяки роботі вентилятора створюється штучний рух повітря,що інтенсифікує теплообмін завдяки вимушеній конвекції.

  7.   Апарати з безпосереднім контактом теплообмінних середовищ. До них належать паро варильні апарати. Принцип їх роботи полягає в тому,що пара подається у внутрішній простір апарата і взаємодіє з продуктом. При використанні вологої насиченої пари тепло передається продукту за рахунок конденсації і виділення схованої теплоти пароутворення. При застосуванні перегрітої пари її агрегатний стан не змінюється,а тепло продукту передається за рахунок конвективного теплообміну.

  За конфігурацією поверхні теплообміну розрізняють теплообмінники: трубчасті, пластинчасті, спіральні, оболонкові і з ребристою поверхнею. Трубчасті теплообмінники, в свою чергу поділяються на кожухотрубні, змієвикові, типу «труба в трубі», елементні секційні, зрошувальні і комбіновані.

Кожухотрубні теплообмінники можуть бути виготовленні одно-, дво-, чотири-, шестиходовими по трубному простору, з перегородками або без них у між трубному просторі.

Залежно від призначення, виділяють типи теплообмінників:

• кожухотрубні теплообмінники. Їхніми основними елементами являються пучки труб, зібрані в трубні решітки та поміщені в корпус, патрубки та кінці труб. Кріпляться в трубних решітках розвальцівкою, зварюванням, паянням;

• пластинчаті теплообмінники. Складаються з окремих пластин, розмежованих гумовими прокладками, двох кінцевих камер, рами і кріпильних болтів;
• змійовикові. У них поверхня нагріву комплектується з ряду концентричних змійовиків, укладених в кожух і закріплених у визначених головках. Теплоносії пересуваються по трубному і міжтрубному просторі;
• спіральні. Поверхня нагріву утворюється двома тонкими металевими листами, привареними до роздільника (керну) і згорнутими у вигляді спіралі;

Повітряні, водяні теплообмінники, виробляються навіть басейн теплообмінники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Місце та призначення кожухотрубного теплообмінника в технологічній схемі по виробництву "Соку яблучного освітленного з цукром".

  Кожухотрубні теплообмінники: дуже поширені в різних сферах промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні і надійні в експлуатації.

  Через малу швидкість руху теплоносіїв одноходові теплообмінники працюють з низьким коефіцієнтом тепловіддачі. Щоб збільшити швидкість руху теплоносіїв, застосовують багатоходові  теплообмінники, в яких пучок труб за допомогою поперечних

перегородок, встановлених у кришках, розділений на кілька секцій, по яких теплоносій проходить послідовно.

З двох теплоносіїв, що рухаються в трубах і в між трубному просторі, треба в першу чергу того, в якого при теплообміні вищій термічний опір.

Труби в трубних решітках розміщують переважно по периметру правильного шестикутника.

При проектуванні кожухотрубних теплообмінників теплоносій, що найбільше забруднює поверхню теплообміну, спрямовують у труби які легше очищати.

Незважаючи на те, що теплообмінні апарати розрізняють за принципом дії, будовою, типом теплоносіїв і призначенням, можна сформувати ще й основні вимоги теплового, гідродинамічного, експлуатаційного і технічного характеру, які треба враховувати при виборі типу, розрахунку і конструктивній розробці теплообмінної апаратури.

В одноходових кожухотрубних теплообмінниках досить великої швидкості в трубах, а також, і високого коефіцієнта тепловіддачі можливо досягти тільки при значних витратах середовища, що в них рухається. Це пояснюється відносно великим сумарним поперечним перерізом труб. Тому такі апарати застосовують, коли швидкість процесу визначається, величиною коефіцієнта тепловіддачі в між трубному просторі, а також як кип’ятильники.

Теплообмінники ”труба в трубі” застосовують при незначних кількостях теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами між рідиною та парою, що конденсуються. Ці  апарати прості, їх легко виготовляти, вони дають можливість здійснити чисту протитечію і досягти високих швидкостей руху для теплоносіїв. Поте при значних теплових навантаженнях вони громіздкі і матеріаломісткі.

Заглибні теплообмінники використовують як холодильники, зокрема для теплоносіїв, що спричиняють корозію апаратури і як конденсатори.

 Спіральні та пластичні теплообмінники використовують у випадку теплообміну між двома рідинами, а також між рідиною та парою, що конденсуються. Вони компактні, інтенсивність теплообміну в них висока.

  Ребристі теплообмінники призначені переважно для теплообміну між газом і рідиною або парою.

Різноманітність конструкцій теплообмінників, а також вимог, які до них ставляться, утруднюють вибір апаратів для різних конкретних умов перебігу процесу. Звичайно жодна з конструкцій не відповідає цілком усім вимогам і доводиться обмежуватись виробом такої, яка задовольняє лише основні вимоги.

Оболонкові теплообмінники (переважно періодичної дії) застосовують при малих теплових навантаженнях для охолодження або нагрівання в’язких рідин і середовищ, які активно хімічно впливають на матеріал поверхні теплообміну.

Теплообмінні апарати усіх типів повинні працювати в оптимальних теплових режимах, які відповідають поєднанню заданої продуктивності та інших показників технологічного процесу з мінімальною витратою тепла.

  Яблука з ящиків подають на технологічні операції за допомогою ящикоперекидача або вручну. Вивантажують сировину з контейнерів за допомогою контейнероперекидача. Далі яблука за допомогою елеватора подають на миття послідовно в барабанній мийній машині (витрати води - 4,9м'/год) і вентиляторній (витрати води - 5,5 м7год) під тиском води 0,2 МПа або в миючій машині з вертикальним шнековим елеватором і ополіскуючим пристроєм. На миття повинна подаватися чиста проточна вода, яка відповідає умовам ГОСТ на питну воду. Миття повинно забезпечити повне видалення з поверхні плодів видимих забруднень.