Технологическая модернизация и расчет трубчатой пастеризационной установки марки П 8-ОПТ

      Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

1. По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники - рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.
2. По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
3. В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

а) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя  жидкими средами;

б) парожидкостные - при теплообмене между паром  и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

 в)  газожидкостные - при теплообмене  между газом и жидкостью (холодильники  для воздуха) и др.

      4. По тепловому режиму различаются теплообменники периодического    действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

    В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта; вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени.

      При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.

       В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости), при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппаратах пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преимуществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирования температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продукт вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

      Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые но ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны, как и при паровом обогреве.

      Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150-160 С, что соответствует давлению (5-7) 105 Па.

      Конкретная задача нагревания или охлаждения данного продукта может быть решена с помощью различных теплообменников. Конструкцию теплообменника следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к теплообменным аппаратам.

      Важнейшим требованием является соответствие аппарата технологическому процессу обработки данного продукта. Это достигается при таких условиях: поддержание необходимой температуры процесса, обеспечение возможности регулирования температурного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания продукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям рабочих сред.

      Вторым требованием является высокая эффективность (производительность) и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппарата. Эти требования обычно выполняются при соблюдении следующих условий: достаточные скорости однофазных рабочих сред для осуществления турбулентного режима; благоприятное относительное движение рабочих сред (обычно лучше противоток); обеспечение оптимальных условий для отвода конденсата и неконденсирующихся газов (при паровом обогреве); достижение соизмеримых термических сопротивлений по обеим сторонам стенки поверхности нагрева; предотвращение возможности загрязнения и легкая чистка поверхности нагрева, микробиологическая чистота и др.

      Существенными требованиями являются также компактность, малая масса, простота конструкции, удобство монтажа и ремонта аппарата. С этой точки зрения оказывают влияние следующие факторы; конфигурация поверхности нагрева; способ размещения и крепления трубок в трубных решетках; наличие и тип перегородок, уплотнений; устройство камер, коробок, днищ; габаритные размеры аппарата и др.

    Теплообменники  могут быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3.

    Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5, кожух и камеры соединены фланцами.

    Рис.1. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой 

    Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой — в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.

    Особенностью  аппарата является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

    Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках  стараются разместить так, чтобы  зазор между внутренней стенкой  кожуха и поверхностью, огибающей  пучок труб, был минимальным; в  противном случае значительная часть  теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего  между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают  специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые  не проходят через трубные решетки  и могут быть расположены непосредственно  у внутренней поверхности кожуха.

    Если  площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета  определяют коэффициент теплопередачи  и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться  больше длины серийно выпускаемых  труб. В связи с этим применяют  многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками  в распределительной камере. Промышленностью  выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

    Двухходовой горизонтальный теплообменник с неподвижными трубными решетками (рис.2) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного штуцера 2, 10 пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3. 

Рис.2. Двухходовой горизонтальный теплообменник с неподвижными решетками 

    Поскольку интенсивность теплоотдачи при  поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены  зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 — круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

        Теплообменники с плавающей головкой

    На  рис. 3 изображен трубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 14246—79, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.

     Рис. 3. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой: 1-крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера: 3 - кожух; 4-теплообменные трубы; 5- перегородка с сегментным вырезом; 6 - штуцер; 7 - крышка плавающей головки. 8 – крышка кожуха

    Кожухотрубнатые конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 14247-79) отличаются от аналогичных  теплообменников большим диаметром  щтуцера для подвода пара в  межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в  трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут  быть двух-, четырех- и шестиходовыми  по трубному пространству. Диаметр  кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

    Теплообменники  с постоянным диаметром по всей длине  удобны при сборке. Сборка теплообменников  с переменным по длине диаметром затруднена, так как плавающую головку (по габаритным размерам) в собранном виде невозможно поместить в кожух без трубчатки.

    Теплообменники  с постоянным диаметром не имеют  этого недостатка, так как плавающую  головку можно собирать и разбирать  вне и внутри кожуха. Кроме того, теплообменники с постоянным диаметром  по длине предпочтительнее теплообменников  с переменным диаметром потому, что  при очистке их межтрубного пространства не приходится разбирать плавающую  головку.

Рис. 4. Теплообменник с плавающей головкой

    Для эффективной работы теплообменника желательно, чтобы средняя          часть была выполнена с наименьшим диаметром; при этом обеспечивается наибольшая скорость продукта и, следовательно, создаются оптимальные условия  для теплопередачи. Это и является причиной изготовления теплообменников  с переменным диаметром по длине.

    Теплообменники с U-образными трубами. В трубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.

    Такие аппараты (рис. 5) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.

Рис. 5. Теплообменник с U-образными трубами 

    Для обеспечения раздельного ввода  и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной  камере предусмотрена перегородка  5.

    Теплообменники  такого типа являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае в аппарате установлена продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки.

    Разность  температур стенок труб по ходам в  этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут  возникнуть опасные температурные  напряжения в трубной решетке  вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.

    Преимущество  конструкции аппарата т — возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.

    Теплообменники  с U-образными трубами применяют  для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20Х2 мм.