Обладнання для нагрівання та охолодження харчових продуктів

3.1. ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ

Призначення і класифікація апаратів

 

Теплообмінні апарати призначені для перенесення теплоти від одного (гарячого) середовища до іншого (холодного).

Їх класифікують за такими ознаками:

- За конструкцією – апарати, виготовлені з труб:

кожухотрубні, зрошувальні, змійовикові, повітряного охолодження;

апарати, виготовлені з листового матеріалу: пластинчасті, спіральні, стільникові (рос. - сотовые);

апарати, поверхня теплообміну яких виготовлена з неметалевих матеріалів: графіт, пластмаса, скло.

- За призначенням – підігрівачі, випарники, конденсатори холодильники.

- За напрямом руху теплоносіїв – прямотечійні, протитечійні, перехресного струму та ін.

При виборі теплообмінників користуються такими рекомендаціями:

1. При високому тиску теплоносіїв перевагу віддають трубчастим теплообмінникам. У трубний простір прямує теплоносій з вищим тиском.

2. Теплоносій, який спричиняє більшу корозію, доцільно направляти по трубах, оскільки їх легше замінити.

3. Для теплоносіїв, що спричиняють значну корозію, доцільніше використовувати апарати з полімерних матеріалів.

4. Забруднені матеріали (теплоносій) слід направляти так, щоб полегшити очищення поверхні нагріву.

 

 

Типові конструкції теплообмінників

Кожухотрубні теплообмінники

 

Основними елементами кожухотрубних теплообмінників є пучки труб, трубні решітки, корпус, кришки, патрубки. За ГОСТ 9929-82 виготовляють апарати таких типів:

Н – з нерухомими трубними решітками (плитами);

К – з температурним компенсатором на кожусі;

П – з плаваючою голівкою;

У – з U–подібними трубами;

ПК – з плаваючою голівкою і компенсатором на ній.

У характеристику теплообмінника входять:

- поверхня теплообмінника;

- тиск в трубному і міжтрубному просторі;

- діаметр кожуха;

- довжина, діаметр і товщина стінок теплообмінних труб,

- габарити теплообмінника.

У кожухотрубних теплообмінниках теплота між теплоносіями передається через стінку. Стінка найчастіша трубчаста.

В залежності від величини температурних подовжень трубок і корпусу застосовують апарати жорсткої, напівжорсткої і нежорсткої конструкції. При невеликих різницях температур трубок і корпусу використовують апарати жорсткої конструкції, в яких трубні решітки приварені до корпусу (апарати типу Н – рис. 3.1, а). В апаратах напівжорсткої конструкції температурні деформації компенсуються осьовим стисненням або розширенням лінзових компенсаторів (апарати типу К – рис. 3.1. б), при цьому забезпечується компенсація, яка не перевищує 10–15 мм, Р = 0.25 МПа. В апаратах нежорсткої конструкції трубки і корпус мають можливість деякого переміщення, що дозволяє усунути додаткові напруги, які виникають від температурних подовжень. Можливість переміщення досягається сальниковими ущільненнями на патрубку або корпусі, застосуванням апаратів з плаваючою голівкою (рис. 3.1. в) або апаратів з пучком U-подібних труб (рис. 3.1. г), або апаратів з плаваючою голівкою і компенсатором на ній (рис. 3.1 д).

 

Теплообмінники типу Н

 

Відносяться до апаратів жорсткої конструкції. Апарат типу «Н» (рис. 6.1. а) складається з верхньої і нижньої кришки 1 і 8, корпусу 3, трубок 4, перегородок в міжтрубному просторі 5, вхідного 12 і вихідного 6 патрубків гріючого теплоносія, вхідного 10 і вихідного 9 патрубків теплоносія, що нагрівається, верхньої і нижньої трубних плит 2, перегородки в нижній кришці 11. Теплообмінник встановлюється на лапи 13. Для наведеної схеми гріючий теплоносій рухається в міжтрубному просторі з перегородками 5, які дозволяють збільшити його швидкість, забезпечити більш інтенсивний теплообмін при поперечному обтіканні, а отже й більшу тепловіддачу. Теплоносій, що нагрівається, рухається усередині труб, в трубному просторі, і сприймає через стінку труби теплоту від гріючого теплоносія. Теплообмінник маже бути одно-, двох і багатоходовим (чотирьох і шести). За розташуванням у просторі теплообмінники бувають горизонтальні, вертикальні, похилі.

Різниця температурних подовжень в теплообмінниках типу Н зростає, якщо кожух (корпус) і трубки виготовлені з різних матеріалів (різні коефіцієнти лінійного розширення). Теплообмінники Н використовують при Δ t< 50⁰C між кожухом і трубками. Температура кожуха близька до температури гріючого теплоносія, а трубок – до температури теплоносія з великим коефіцієнтом тепловіддачі. При пуску апаратів типа Н рекомендується спочатку направляти теплоносій в міжтрубний простір, а потім вже в трубній. Рекомендована швидкість теплоносія: для рідин не менше 1,5 м/с, газів 8–30 м/с. Переваги: простота й дешевизна; недоліки: складність очищення від забруднень зовнішньої поверхні труб.

 

 

а	б	в
г	д
е	є

 

Рис. 3.1. Типові конструкції кожухотрубних теплообмінників:

а) апарат жорсткої конструкції:

1 - верхня кришка; 2 - трубна плита; 3 - корпус; 4 - труби; 5 - перегородки; 6 - вихідний патрубок гріючого теплоносія; 7 - прокладки; 8 - нижня кришка; 9 - вихідний патрубок теплоносія, що нагрівається; 10 - вхідний патрубок теплоносія, що нагрівається; 11 - перегородка; 12 - вхідний патрубок гріючого теплоносія; 13 - лапи;

б) з лінзовим компенсатором;

в) з плаваючою голівкою;

г) з U-подібними трубками: 1 - U-подібна трубка;

д) з плаваючою голівкою і компенсатором на ній: 1 – плаваюча голівка; 2 - компенсатор;

е) з розширювачем на корпусі: 1 – розширювач; 2 – розподільник; 3 – корпус;

є) секційний (елементний): 1 – корпус; 2 – труба; 3 – трубна плита; 4 – кришка; 5 – коліно; 6 – перехідні патрубки.

 

Теплообмінники типу К

Для часткової компенсації температурних напруг використовують гнучкі елементи (розширювачі й компенсатори), розташовані на кожусі (рис. 3.2).

а б в г д е

Рис. 3.2. Типи компенсаторів:

 

а) однолінзовий; б) зварений з двох напівлінз; в) двохлінзовий; г) з плоских кілець; д) з двох напівсферичних елементів; е) тороїдальний.

 

Лінзові компенсатори виготовляють обкаткою з коротких циліндричних обичайок. Напівлінзи виготовляють з листа штампуванням. Компенсуюча здатність лінзового компенсатора приблизно пропорційна їхній кількості, проте застосовувати більше 4-х не рекомендується, оскільки знижується опір кожуха вигину. Для збільшення компенсуючої здатності лінзового компенсатора можна його заздалегідь стиснути або розширити. На горизонтальних апаратах в нижній частині лінз свердлять дренажні отвори для зливу води після гідравлічних випробувань. Компенсатори типу г, д, е не мають широкого застосування через важкі умови роботи зварного шва.

В апаратах з розширенням (рис. 3.1 е) розширювач 1 на кожусі 3 компенсує напругу, а розподільник 2 дозволяє виключити застійні зони в міжтрубному просторі. Область використовування апаратів типу К обмежена Р_вигин=2,5 Па.

 

Теплообмінники типу U

 

Такі апарати мають одну трубну решітку, яка разом з розподільною камерою кріпиться до кожуха на фланці. Роздільне введення і виведення теплоносія забезпечується двома штуцерами і поділяючою перегородкою. Різниця температур стінок труб по ходах не повинна перевищувати 100°С для виключення небезпечних температурних напруг в трубній решітці. Зовнішня поверхня труб незручна для механічного очищення, тому в міжтрубний простір рекомендується подавати середовище, яке не утворює відкладень. Внутрішню поверхню очищають хімічними реагентами або потоком рідини, яка містить абразивний елемент. Ці апарати не знайшли широкого застосування.

 

Теплообмінники типу П

 

В цих теплообмінниках одні трубні решітки нерухомо пов'язані з корпусом, а інші можуть вільно може переміщатися в осьовому напрямку. З боку плаваючої голівки апарат закривається кришкою. У апаратах для забезпечення вільного переміщення трубний пучок забезпечують опорною платформою. Поперечні перегородки в горизонтальних апаратах призначені для підтримки труб і додання жорсткості, а у вертикальних для отримання багатоходової конструкції. У апаратах типу П в трубному пучку встановлюють, як правило, плаваючу головку. Зазор між пучком труб і корпусом повинен бути якомога менше. Конструкція плаваючої головки повинна забезпечити мінімальний зазор і легкість витягання трубного пучка з корпусу. Існують такі способи кріплення решіток і кришки плаваючої головки: а) розрізним фланцем; б) розрізною скобою; у) розрізним кільцем; г) розрізним стрижньовим кільцем.

 

а б в г

 

Рис. 3.3. Способи кріплення решітки і кришки плаваючої головки:

 

а) розривним фланцем 1; б) розривною скобою 1; в) розривним кільцем 1; г) розривним зтягуючим кільцем 1. Позиції на рис.: 1 – стягуюче кільце; 2 – корпус апарату, 3 – кришка, 4 – трубна плита головки, 5 – стяжний болт.

 

Теплообмінники типу ПК

 

Компенсація температурних напруг забезпечується гнучким елементом (компенсатором), встановленим на плаваючій голівці. Виконуються одноходовими з протитечійним рухом теплоносіїв. Компенсатори встановлюють на подовженому штуцері, вони відрізняються меншим діаметром, великою кількістю гофрів і меншою товщиною стінки. Перепад тиску не повинен перевищувати 2,5 МПа, тому теплоносії необхідно подавати в теплообмінник одночасно в трубний і міжтрубний простір.

Секційні теплообмінники.