Лекція 14 (1) Тема. ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ

Лекція 14 (1)

Тема. ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ

Мета. Розглянути конструкцію теплообмінників та їх розрахунки.

План.

1. Класифікація теплообмінників.

2. Конструкції теплообмінників.

3. Розрахунок теплообмінників.

1. Класифікація теплообмінників

Теплообмінники - це пристрої, в яких здійснюється теплообмін між середовищами, які гріють, і середовищами, які нагріваються. Для того щоб розібратися в різноманітті теплообмінників, їх класифікують за певними ознаками.

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

Залежно від виду робочих середовищ розрізняються теплообмінники:

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

- парорідинні - при теплообміні між парою і рідиною;

- газорідинні — при теплообміні між газом і рідиною.

За способом передачі теплоти розрізняються теплообмінники поверхневі і змішувальні.

У поверхневих теплообмінниках відбувається передача теплоти через поверхню нагрівання. У змішувальних теплообмінниках здійснюється обмін теплотою при безпосередньому змішуванні теплоносіїв. Поверхневі теплообмінники бувають рекуперативні та регенеративні.

У рекуператорах теплоносій і продукт, між якими відбувається теплообмін, знаходяться по різні боки стінки, що їх розділяє. В регенераторах одна й та же поверхня апарату омивається почергово то теплоносієм, то продуктом. Ці теплообмінники в харчовій промисловості значного поширення не отримали. Тому далі під назвою "по-верхневі теплообмінники" або просто "теплообмінники" будемо розуміти рекуперативні теплообмінники.

За тепловим режимом розрізняються теплообмінники періодичної дії, в яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес, і безперервної дії з процесом, що встановився в часі.

За конфігурацією поверхні теплообміну розрізняються теплообмінники: трубчасті, пластинчасті, спіральні, оболонкові і з оребре-ною поверхнею. Трубчасті теплообмінники, в свою чергу поділяються на кожухотрубні, змієвикові, типу "труба в трубі", елементні секційні, зрошувальні і комбіновані.

Окрім наведених основних класифікаційних ознак теплообмінних апаратів, їх можна класифікувати за додатковими ознаками. Так за напрямом руху робочих середовищ розрізняють теплообмінники прямоточні, протитечійні, з перехресною течією і зі змішаною течією; за числом ходів теплоносія розрізняють теплообмінники одноходові і багатоходові; за жорсткістю конструкції -теплообмінники жорсткого, напівжорсткого і нежорсткого типу.

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

2. Конструкції теплообмінників

Теплообмінники із оболонками часто застосовуються для періодичного нагрівання або охолоджування (наприклад, для підігрівання і уварювання кондитерських мас). Технологічний процес у них може здійснюватися під тиском (автоклави), розрідженням (вакуум-апарати) і при атмосферному тиску (варильні котли). Апарати мають циліндричні, сферичні або плоскі подвійні стінки, що утворюють герметично замкнутий простір - водну або парову оболонку. Для інтенсифікації теплообміну з боку продукту, що обробляється, апарати можуть обладнуватися механічними мішалками, а для вивантаження продукту - пристроєм для перевертання. Звичайно апарати з паровою оболонкою працюють під тиском, що не перевищує 0,5 МПа. Кожухотрубні теплообмінники отримали в промисловості найбільше застосування завдяки своїй компактності, простоті у виго-товленні та надійності в роботі. Вони використовуються для теплообміну між потоками в різноманітних агрегатних станах: пара-рідина, рідина-рідина, газ-газ, газ-рідина. На рис. 4.22 показано вертикальний одноходовий теплообмінник жорсткої конструкції, що складається з циліндричного корпусу (або кожуха) 1 і приварених до нього трубних решіток 2 з пучком труб 3.

Рис. 4.22. Кожухотрубний теплобмінник

Пучок труб ділить весь об'єм корпусу теплообмінника на трубний простір, укладений всередині гріючих труб, і міжтрубний. До корпусу приєднані з допомогою болтового сполучення два днища 5. Для введення і виведення теплоносіїв корпус і днища мають патрубки 4. Один потік теплоносія, наприклад рідина, спрямовується в трубний простір, проходить по трубках і виходить з теплообмінника через патрубок у верхньому днищі. Інший потік теплоносія, наприклад пара, рухається у міжтрубному просторі теплообмінника, омиваючи ззовні пучок гріючих труб. При цьому середовище, що гріється, спрямовують знизу вгору, а середовище, що віддає теплоту,- в протилежному напрямі.

Гріючі труби з'єднуються з трубними решітками зварюванням, пайкою або розвальцьовані в ній. Гріючі труби виробляють зі сталі, міді або латуні. Труби в решітках звичайно розміщують рівномірно по периметрах правильних шестикутників, що забезпечує компактність розташування. Інколи труби розміщують по концентричних колах. За необхідності забезпечення очистки зовнішніх поверхонь труб застосовують коридорне розташування - по боках квадратів. Внаслідок великого сумарного прохідного перерізу труб і міжтрубного простору швидкості протікання теплоносіїв невеликі і коефіцієнти тепловіддачі в цьому теплообміннику порівняно низькі. Для збільшення швидкості протікання (інтенсифікації теплообміну) в трубному і міжтрубному просторах встановлюють перегородки, зменшуючи переріз потоку теплоносіїв. На рис. 4.23 подано такий багатоходовий теплообмінник, що має два ходи по трубному простору і п'ять ходів по міжтрубному.

Рис. 4.23. Багатоходовий кожухотрубний теплообмінник з U-подібними трубками

Кожухотрубні теплообмінники розташовуються вертикально або горизонтально. При різниці температур між теплоносіями понад 50°С за рахунок неоднакових температурних подовжень у зварювальних швах приєднання кожухів до трубних решіток, а також у місці приєднань труб у решітках виникають значні напруження, що можуть матеріалу. В результаті з'являються нещільності, порушується герметичність. Для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу апарата застосовують конструкції теплообмінників з лінзовими компенсаторами, з плаваючою голівкою, з U- подібними трубами (рис. 4.23), а також із сальниковими пристроями. Поверхня нагрівання кожухотрубних теплообмінників може становити до 1200 м2 при довжині труб від 1 до 9 м; умовний тиск досягає 6,4 МПа.

Рис. 4.24. Теплообмінник типу "труба в трубі"

Елементні теплообмінники. Найпростіший двотрубний теплообмінник типу "труба в трубі" (рис. 4.24) складається з двох труб: внутрішньої 1 меншого діаметра і зовнішньої 4 більшого діаметра. Звичайно з'єднують послідовно один з одним у батарею декілька таких простих теплообмінних елементів за допомогою фланцевих з'єднань З і колін 2. У двотрубних теплообмінниках можна створити високі швидкості теплоносія і продукту. У зв'язку з цим апарати ха рактеризуються порівняно високим коефіцієнтом теплопередачі. Однак ці теплообмінники громіздкі і металомісткі.

Змійовиковий теплообмінник. Теплообмінний елемент - змійовик - це труба 1, зігнута будь-яким чином і поміщена в посудину 2. Змійовик занурено в рідину, що нагрівається або охолоджується теплоносієм, який рухається по змійовику (рис. 4.25). Змійовикові теплообмінники виготовляються з плоским змійовиком або зі змі-йовиком, зігнутим по гвинтовій лінії. У змійовиковому вакуум-апараті для уварювання кондитерських мас по змійовику проходить продукт. Ці теплообмінники відрізняються простотоюконструкції. Проте у них ускладнено очищення внутрішньої поверхні зігнутої труби, змійовик створює великий гідравлічний опір.

Зрошувальний теплообмінник - це змійовик 2 (рис. 4.26), зігнутий у вертикальній площині, розподільний жолоб з отворами 1 та піддон 3. Рідина з розподільного жолоба витікає на верхній виток, омиває зовнішню поверхню труб змійовика і стікає в піддон під змійовиком. Залежно від температури середовища, що протікає всередині змійовика, рідина, що омиває трубки, нагрівається або охолоджується.

Позитивна якість цих теплообмінників полягає в простоті обслуговування і невеликій витраті охолоджувального агента (води), що використовується багаторазово. Недоліки зрошувальних теплообмінників: громіздкість, значна металомісткість та низькі значення коефіцієнта теплопередачі. Застосовуються для охолоджування пива, молока та інших рідин, у холодильній техніці - як конденсатор.

Спіральний теплообмінник

У спіральному тепло обміннику поверхня теплообміну утворюється двома металевими листами 1 і 2, згорнутими у вигляді спіралі (рис. 4.27). Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки З, а їхні зовнішні кінці зварені один з одним. Торці спіралі закриті встановленими на прокладках плоскими кришками 4. Біля зовнішніх кінців спіралей та в центрі кришки приварені патрубки для введення і виведення теплоносіїв. Спіральний теплообмінник має високий коефіцієнт теплопередачі, незначний гідравлічний опір і відзначається компактністю. Однак він складний у виготовленні і непридатний для роботи під тиском понад 1 МПа.

Пластинчатий теплообмінник

Пластинчасті теплообмінники широко застосовуються для охолоджування і підігрівання різноманітних рідин (молока, соків, вина, пива та ін.) з робочими температурами до 300°С при тиску до 1,6 МПа (рис. 4.28). Теплообмінник складається з пакету гофрованих металевих пластин. Між пластинами утворюються герметичні канали 1, у яких здійснюється протиточна течія гарячого і холодного теплоносіїв. Пластини гофровані для того, щоб збільшити поверхню теплообміну і створити турбулентну течію рідини в вузьких каналах, відстань між якими дорівнює 3-10 мм. Пластини відокремлюються одна від одної прокладками 2 і мають два отвори по кутах для входу і виходу одного теплоносія, що циркулює в герметичному каналі. Через два інших кутових отвори в пластині втікає і витікає інший теплоносій. Пластини стягнуті зажимами.

Внаслідок високих швидкостей руху рідини між пластинами досягається високе значення коефіцієнта теплопередачі з малим гідравлічним опором. Паралельне розташування плоских пластин з малими проміжками між ними дає змогу розмістити в просторі робочу поверхню теплообмінника найбільш компактно, завдяки чому значно зменшуються габарити пластинчастого апарата порівняно з іншими типами рідинних теплообмінників.

Наприклад, коефіцієнт компактності пластинчастих апаратів (відношення робочої поверхні до об'єму робочої зони) досягає 200 м2/м , що в 5-10 разів більше, ніж для трубчастих.

Відзначимо, що пластинчастий теплообмінник надає конструктору і виробникові великі можливості по здійсненню різноманітних компонуючих варіантів і легко припускає збільшення (або зменшення) робочої поверхні апарата, який знаходиться в експлуатації. Він припускає вільне внесення різноманітних коригувань у схемі руху потоків і дає змогу зосереджувати на одній станині теплообмінні секції різноманітного призначення для виконання в одному апараті усього комплексу операцій теплового оброблення продуктів, що є надзвичайно важливим фактором.

Випускаються різноманітні модифікації теплообмінників цього типу з пластинами зі сталі різних марок, алюмінію, титану та інших металів, розбірної та нерозбірної конструкцій з поверхнями теплообміну від 0,4 до 600 м.

3. Розрахунок теплообмінників

Розрізняють два види розрахунку теплообмінників: проектний і перевірний.

Проектний розрахунок виконується при проектуванні нового теплообмінника, коли задано кількість продукту, що охолоджується або нагрівається, і його параметри. Мета проектного розрахунку - визначення необхідної поверхні теплообміну, витрати теплоносія або холодоагенту, конструктивних розмірів вибраного апарата, його гідравлічного опору та механічної міцності. За допомогою перевірного розрахунку виявляють можливість використання наявних теплообмінників в умовах заданого процесу і визначають умови, що забезпечують оптимальний режим роботи апарата. Проектний розрахунок включає вибір типу і конструкції теплообмінного апарата, тепловий, конструктивний, гідравлічний, механічний та техніко-економічний розрахунки.

Тепловий розрахунок теплообмінників полягає у визначенні необхідної поверхні теплообміну з основного рівняння теплопередачі. Теплове навантаження теплообмінника визначають з рівняння теплового балансу. Рівняння теплового балансу в загальному вигляді без обліку втрат теплоти в довкілля (що звичайно не перевищують 5 %), виражається рівністю

Q = Qприх = Qвитр,

де Qприх - кількість теплоти, відданої гарячим теплоносієм, Вт;

Qвитр – кількість теплоти, одержаної холодним теплоносієм, Вт.

Залежно від конкретного процесу теплові баланси мають різний вигляд.

Як приклад розглянемо випадок, коли теплообмін протікає без зміни агрегатного стану теплоносіїв. Тоді

Qприх = G1 c1 (t1n – t1k).        Qвитр = G2 c2 (t2n – t2k),

де G1- витрата гарячого теплоносія, кг/с;

С - середня питома теплоємність гарячого теплоносія, Дж/(кг-К);

t1n , t1k - початкова і кінцева температури гарячого теплоносія, °С;

G2 - витрата холодного теплоносія, кг/с;

с2 - середня питома теплоємність холодного теплоносія, Дж/(кг-К);

t2n, t2k - температура холодного теплоносія на вході в апарат і на виході з нього, °С.

Таким чином, рівняння теплового балансу набуде вигляду:

G1 c1 (t1n – t1k) = G2 c2 (t2n – t2k),

З рівняння визначають витрату теплоносіїв або невідому температуру одного з теплоносіїв.

Величина середнього температурного напору залежить від схеми руху теплоносіїв уздовж поверхні теплообміну. Середній температурний напір під час прямотоку та протитечії, а також з постійною температурою одного з теплоносіїв визначається як середньологарифмічна різниця, де різниці температур - більша і менша різниці температур між гарячим і холодним теплоносіями на кінцях теплообмінника.

Питання для самоперевірки

1. На які групи поділяють теплообмінні апарати?

2. Приклади використання кожухотрубних апаратів для теплообміну між двома рідинами.

3. Назвіть найбільш компактні теплообмінні апарати.

4. Що таке калорифери? Де їх застосовують?

5. З якою метою виконують повірочний розрахунок теплообмінника?

6. Мета гідравлічного розрахунку теплообмінника.

Використана література.

22. Процеси і апарати харчових виробництв / За редакцією А.М.Поперечного.-К.:Центр учбової літератури, 2007, - 301 с.

23. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.-М.:Пищ.пром-сть, 1984, -349 с.

24. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. –М.:Агропромиздат, 1999, - 430 с.