Пищевое оборудование

Теплообменники

При разностях температур между корпусом и трубами выше 25 — 30°С  в кожухотрубных теплообменниках возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Теплообменник с компенсацией температурных удлинений

Простейшим устройством для компенсации температурных удлинений является линзовый компенсатор (рисунок 1,а), который устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Теплообменники с U-образными греющими трубами (рисунок 1,б) имеют одну трубчатую решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.

Аналогичную конструкцию имеет теплообменник с двумя ходами (или четным числом ходов) с плавающей головкой (рисунок 1,в); последняя вынимается из кожуха теплообменника вместе с трубками. Этот теплообменник применим для засоряющих жидкостей и отличается свободой температурных деформаций трубок и корпуса, при которой не нарушается плотность соединений.

Недостатками этих теплообменников являются сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта.

а) - с линзовым компенсатором (1 - корпус; 2 - греющая труба; 3 - линзовый компенсатор); б) - с U-образными греющими трубами (1 - крышка; 2 - корпус; 3 - U-образные греющие трубы); в) - с плавающей головкой. Рисунок 1 - Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений
а) — с линзовым компенсатором (1 — корпус; 2 — греющая труба; 3 — линзовый компенсатор);
б) — с U-образными греющими трубами (1 — крышка; 2 — корпус; 3 — U-образные греющие трубы);
в) — с плавающей головкой.
Рисунок 1 — Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений

Спиральный теплообменник

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рисунок 2). Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

Такие теплообменники используются для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому они применяются для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например для охлаждения бражки на спиртоперегонных заводах.

1 - крышка; 2 - перегородка; 3, 4 - металлические листы Рисунок 2 - Спиральный теплообменник
1 — крышка; 2 — перегородка; 3, 4 — металлические листы
Рисунок 2 — Спиральный теплообменник

Спиральные теплообменники компактны, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей.

Недостатком спиральных теплообменников является сложность изготовления, ремонта и чистки.

Пластинчатый теплообменник

Пластинчатые теплообменники (рисунок 3) монтируются на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.

1 - верхний несущий брус; 2 - неподвижная плита; 3 - пластина; 4 - подвижная плита; 5 - нижний несущий брус; 6 - направляющая стяжная шпилька; 7 – стойка. Рисунок 3 - Пластинчатый теплообменник
1 — верхний несущий брус; 2 — неподвижная плита; 3 — пластина; 4 — подвижная плита; 5 — нижний несущий брус; 6 — направляющая стяжная шпилька; 7 – стойка.
Рисунок 3 — Пластинчатый теплообменник

Принцип действия пластинчатого теплообменника показан на рисунке 4. Как видно из этой схемы, теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.

Рисунок 4 - Принцип действия пластинчатого теплообменника
Рисунок 4 — Принцип действия пластинчатого теплообменника

Разновидностью описанного пластинчатого теплообменника является коробчатый конденсатор, который представляет собой пластинчатый теплообменник, помещенный в коробчатый паросборник (рисунок 5). Пакет пластин лежит на боку, а верхние кромки чередующихся пластин не имеют прокладок, чтобы обеспечить вход пара, который конденсируется охладителем, протекающим по «слоистой» системе закрытых каналов.

Рисунок 5 - Принцип действия коробчатого конденсатора
Рисунок 5 — Принцип действия коробчатого конденсатора

Пластинчатые теплообменники используются в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации, например молока, и стерилизации (мелассы). Эти теплообменники можно собирать в виде многоступенчатых агрегатов.

Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин.

Высокая эффективность обусловлена высоким отношением площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника за счет высоких скоростей теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкого термического сопротивления стенок пластин.

Эти теплообменники изготавливаются в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.

К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами.

Теплообменник с ребристыми поверхностями теплообмена

Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи.

Для оребрения поверхности используют стальные круглые или прямоугольные шайбы, которые приваривают в основном к трубам. В трубчатых теплообменниках применяют поперечные или продольные ребра.

Примером оребренного теплообменника служит калорифер, используемый для нагрева воздуха греющим насыщенным водяным паром. На рисунке 6 показана секция парового калорифера. Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, который омывает пластины калорифера. Коэффициент теплоотдачи со стороны насыщенного водяного пара к стенке трубы a1 = 12000 Вт/м2×град, а от стенки к воздуху a2 = 12…50 Вт/м2×град. Оребрение внешней поверхности труб значительно увеличивает количество переданной теплоты от пара к воздуху.

1 - коробка; 2 - труба; 3 – ребра Рисунок 6 - Секция калорифера
1 — коробка; 2 — труба; 3 – ребра
Рисунок 6 — Секция калорифера

Теплообменный аппаратах с рубашками (автоклавах)

В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса теплоносителем. На рисунке 7 представлен аппарат с рубашкой, которая приварена к стенкам аппарата.

1 - корпус; 2 - рубашка Рисунок 7 - Аппарат с рубашкой
1 — корпус; 2 — рубашка
Рисунок 7 — Аппарат с рубашкой

В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате. Иногда вместо сплошной рубашки к корпусу аппарата приваривается змеевик. На рисунке 8 показаны варианты приваренных к корпусу аппарата змеевиков.

Рисунок 8 - Варианты приварных змеевиков
Рисунок 8 — Варианты приварных змеевиков

Регенеративный теплообменник

Регенеративные теплообменники состоят из двух секций, в одной из которых теплота передается от теплоносителя промежуточному материалу, в другой — от промежуточного материала технологическому газу. Примером регенеративной теплообменной установки является установка непрерывного действия с циркулирующим зернистым материалом (рисунок 9), который выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топочных газов к холодным технологическим.

1, 2 - теплообменники; 3 - шлюзо­вой затвор; 4 - газодувка; 5 - пневмотранспортная линия; 6 - распределитель газа; 7 – сепаратор Рисунок 9 - Установка с циркулирующим зернистым матери­алом
1, 2 — теплообменники; 3 — шлюзо­вой затвор; 4 — газодувка; 5 — пневмотранспортная линия; 6 — распределитель газа; 7 – сепаратор
Рисунок 9 — Установка с циркулирующим зернистым матери­алом

Установка состоит из двух теплообменников, каждый из которых представляет собой шахту с движущимся сверху в них сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого теплообменника имеется газораспределительное устройство для равномерного распределения газового потока по сечению теплообменника. Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит непрерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый материал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную линию, по которой воздухом подается в бункер — сепаратор, где частицы осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.