Процесс нагрева молока в кожухотрубном теплообменнике

Рис. 4. 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.

 

 

 

 

Теплообменники с U-образными греющими трубами (рис. 4, б) имеют одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.

Кожухотрубные теплообменники используют для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. Жидкость пропускается по трубам, а пар — в межтрубном пространстве.

Преимущества кожухотрубнык теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри (за исключением теплообменника с U-образными трубами).

Недостатки этих теплообменников: сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; 

трудность очистки межтрубного пространства и малая достyпность его для осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке, например из чугуна и ферросилида.

1.2.2Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большего диаметра и расположенных внутри их труб меньшего диаметра (рис. 5). Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из теплоносителей — I — движетcя по внутренней трубе, а другой — II — по кольцевому каналу, образованному внутренней н внешней трубами. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы.

Рис. 5. Теплообменник типа "труба в трубе": 1 — наружная труба; 2—внутренняя труба; 3—колено; 4—патрубок; I,II—теплоносители.

В этих теплообменниках достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При необходимости создания больших площадей поверхностей тепло передачи теплообменник составляют из нескольких секций, получая батарею.

Преимущества теплообменников типа "труба в трубе": высокий коэффициент теплопередачи вследствии большой скорости обоих теплоносителей,простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, высокой металлоемкости, трудности очистки межтрубного пространства. Теплообменники типа "труба в трубе" применяют при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром.

1.2.3Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой (рис. 6). Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготовляют с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.

Рис. 6. Погружной змеевиковый теплообменник: 1—змеевик; 2—корпус

 

 

 

 

Преимущество змеевиковых теплообменников — простота изготовления. В то же время такие теплообменники громоздки и трудно поддаются очистке. Погружные теплообменники применяют для охлаждения и нагрева конденсата, а также для конденсации паров.

1.2.4Оросительные теплообменники используют для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они (рис. 7) из нескольких расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно перетекает в верхнюю трубу теплообменника и на расположенные ниже трубы.

 Рис. 7. Оросительный теплообменник: 1—распределительный желоб; 2—труба; 3—колено; 4—стойка; 5—сборный желоб

 

 

Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплопередачи в таких тсллообменниках невелик.

Оросительные теплообменники просты по устройству, но металлоемки. Обычно их устанавливают на открытом воздухе.

1.2.5Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образоваиных металлическими листами (рис. 8). Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концон каналов предусмотрены патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка припаены к плоским боковым крышкам.

Рис. 8. Спиральный теплообменник: 1—крышка; 2—перегородка; 3,4—металлические листы

 

 

 

 

 

Такие теплообменники используют для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому их применяют для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами.

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

Недостаток спиральных теплообменников - сложность изготовления, ремонта и очистки.

1.2.6Пластинчатые теплообменники (рис. 9,а) монтируют на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих яpyсов, 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.

Принцип действия пластинчатого теплообменника показан на рис. 9,б. Как видно из этой схемы, теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.

Рис. 9. Пластинчатый теплообменник (а) и принцип его действия (б):

1—верхний несущий брус; 2—неподвижная плита; 3—пластина; 4—подвижная плита; 5—нижний несущий брус;6—направляющая стяжная шпилька; 7—стойка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разновидность описанного пластинчатого теплообменника - коробчатый конденсатор, который представляет собой пластинчатый теплообменник, помещенные в коробчатый паросборник (рис. 10). 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.

Пластинчатые теплообменники используют в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации и стерилизации. Эти теплообменники можно собирать в виде многоступенчатых агрегатов.

Рис. 10. Принцип действия коробчатого конденсатора

 

 

 

Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин. Значительная эффективность обусловлена большой величиной отношения площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника. Это достигается благодаря высоким скоростям теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкому термическому сопротивлению стенок пластин.

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

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

1.2.7Теплообменники 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 может служить калорифер, используемый для нагрева воздуха греющим водяным паром. На рис. 11 показана секция парового калорифера.

Рис. 11. Секция калорифера: 1—коробка; 2—ребро; 3—труба

 

Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, который омывает пластины калорифера. Оребрение внешней поверхности труб значительно увеличивает количество теплоты, переданной от пара к воздуху.

1.2.8В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса теплоносителем. На рис. 12 представлен аппарат с рубашкой, которая приварена к стенкам аппарата. В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате.

Рис. 12. Аппарат с рубашкой: 1—корпус; 2—рубашка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологический расчет

Z	Gчас, кг/час	tн, °С	tк, °С	p, МПа	ω, м/с	c, Дж/кг*°С
4	26 000	7	76	0,3	0,5	4000

 

2.1. Геометрический расчет

1. Определяем секундный  объемный расход молока

 

Vсек-секундный расход,м3/сек;

Gчас-часовой расход, кг/час;

ρм-плотность молока кг/м3;

ρм=1016 кг/м3 по tср=50◦С,

tср= tпара- Δtср ; tср=132,9-83=50◦С

Принимаем tср=50◦С

 

2. Определяем  требуемое  число труб в ходу

 

nx-число труб в ходу;

dвн-внутренний диаметр трубки,м;

w-скорость движения жидкости в трубах,м/с

Принимаем W=0,5 м/сек, dвн=0,021м

 

 

 

 

3. Определяем требуемое  число труб в пучке теплообменника (при Z=4)

 

 

2.2. Тепловой расчет

1. Тепловая нагрузка теплообменника  по нагреваемой жидкости

 

с=4000 Дж/кг∙град – удельная теплоемкость молока ;

;

tнач,tкон –начальная и конечная температуры на входе и выходе,

 

 

 

2. Определяем среднюю  логарифмическую разность температур  между конденсирующим паром и  нагреваемой жидкостью

 

tпар- температура конденсации пара,

 

tср=132,9-83,1=49,8=50

 

 

 

 

3. Определяем коэффициент  теплоотдачи от конденсирующего  пара к стене

 

где - коэффициент физических констант конденсата;

ρ - плотность конденсата, кг/м3;

λ - коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м∙К);

μ - коэффициент динамической вязкости конденсата, Н∙сек/м2;

Δt - разность температур конденсации и стенки трубы, град;

r=2164,16∙103 Дж/кг - удельная теплота конденсации пара;

H=1м - высота трубы.

g=9,81м/сек2-ускорение свободного падения

Значения A для воды в зависимости от температуры пленки конденсата приведены в табл.1

 

Таблица 1

	Температура пленки конденсата, ◦С
	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
A	120	139	155	169	179	188	194	197	199	199

 

Принимаем ряд значений разности температур конденсации и стенки трубы Δt5=10◦С; Δt4=15◦С; Δt3=20◦С; Δt2=25◦С; Δt1=30◦С, тогда температуру пленки конденсата определяем так

 

 

 

 

Сводная таблица зависимости коэффициента физических констант A от температуры пленки конденсата и коэффициента теплоотдачи α1 и теплового потока q1

Таблица 2

	Температура пленки конденсата, ◦С
	117,9 Δt=30	120,4 Δt=25	122,9 Δt=20	125,4 Δt=15	127,9 Δt=10
A	187,1	188,1	188,9	189,6	190,4
	5247	5522	5864	6324	7028
	157410	138050	117280	94860	70280