Теплообменики

Теплообменниками  называются аппараты, в которых происходить  теплообмен, между рабочими средами  не зависимо от их технологического или  энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и д.р.)

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

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.

По основному  назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

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.

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.

В отдельных  случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200°С.

Широко применяется  обогрев горячими газами и воздухом (до 300—1000°С) в печах, сушильных установках. Газовый обогрев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малой интенсивностью теплообмена, загрязнением поверхности аппаратуры (при использовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он является единственно возможным (например, в воздушных сушилках).

В холодильной  технике используется ряд хладагентов: воздух, вода, рассолы, аммиак, углекислота, фреон и др.

При любом использовании  теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены  основному— технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны  теплообменники разнообразных конструкций. Ниже рассматриваются некоторые конструкции теплообменных аппаратов, применяющихся в пищевой промышленности. 

Выбор конструкции теплообменных  аппаратов

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.

Ряд факторов определяет надежность работы аппарата и удобство его эксплуатации: компенсация температурных деформаций, прочность и плотность разъемных соединений, доступ для осмотра и чистки, удобство контроля за работой аппарата, удобство соединения аппарата с трубопроводами и т. д.

Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования  и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного  технологического процесса в аппарате.

Для ориентировки при выборе теплообменников приведем следующие соображения. Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой по трубному пространству - трубчатый теплообменник жесткой конструкции (к подвижным трубным решеткам прибегают в крайнем случае). Этот же теплообменник с успехом применим в качестве газового или жидкостного при больших расходах рабочих тел и небольшом числе ходов в межтрубном пространстве. При малых расходах жидкостей или газов лучше применять элементные аппараты без подвижных трубных решеток.

Ребристые аппараты следует применять, если условия  теплоотдачи между рабочими средами и стенкой с обеих сторон поверхности нагрева существенно отличаются (в газожидкостных теплообменниках); оребрение целесообразно со стороны наименьшего коэффициента теплоотдачи.

Основные способы  увеличения интенсивности теплообмена  в подогревателях:

а) уменьшение толщины  гидродинамического пограничного слоя в результате повышения скорости движения рабочих тел или другого  вида воздействия; это достигается, например, раз-

бивкой пучка  трубок на ходы и установкой межтрубных перегородок;

б) улучшение  условий отвода неконденсирующихся газов и конденсата при паровом  обогреве;

в) создание благоприятных  условий для обтекания рабочими телами поверхности нагрева, при  которых вся поверхность активно участвует в теплообмене;

г) обеспечение  оптимальных значений прочих определяющих факторов: температур, дополнительных термических сопротивлении и т. д.

Путем анализа  частных термических сопротивлений  можно выбрать наилучший способ повышения интенсивности теплообмена в зависимости от типа теплообменника и характера рабочих тел. Так, например, в жидкостных теплообменниках поперечные перегородки имеет смысл устанавливать только при нескольких ходах в трубном пространстве. Перегородки не всегда необходимы; при вертикальном расположении трубок и нагреве паром последний подается в межтрубное пространство; поперечные перегородки будут мешать стеканию конденсата. При теплообмене газа с газом или жидкости с жидкостью количество протекающей через межтрубное пространство жидкости может оказаться настолько большим, что скорость ее достигнет тех же значений, что и внутри трубок; следовательно, установка перегородок теряет смысл. Перегородки бесцельны также в случае сильно загрязненных жидкостей, при которых вследствие нарастания слоя загрязнений на трубках решающее влияние на коэффициент теплопередачи оказывает величина Rn.

Интенсификация  теплообмена является одним из основных направлений развития и усовершенствования тепловой аппаратуры пищевых производств. При этом широко используются положительные эффекты в интенсификации теплообмена, обнаруженные и исследованные в других областях химической техники и энергетики. За последние годы выполнен ряд работ по промышленному испытанию активных «режимных» методов интенсификации теплообмена в аппаратах химических и пищевых производств (И. М. Федоткин, КТИПП). К ним относятся изменение режимных характеристик течения, дополнительная турбу-лизация потока за счет пульсации, вдувания воздуха и др. Намечены пути комплексной интенсификации теплообмена, достигаемой при совместном воздействии различных эффектов. Ведется ускоренная разработка новых типов поверхностей нагрева компактных теплообменников, эффективность которых оценивается промышленными данными о связи теплоотдачи с гидродинамическим сопротивлением. Найдены способы передачи значительных тепловых потоков между рабочими средами с помощью тепловых труб, аналогичных по способу действия греющим трубкам хлебопекарных печей (трубкам Перкинса). Данные о конкретном применении новых типов теплообменников содержатся в рекомендуемой литературе. 

Основы  расчета поверхностных  теплообменников

Расчет поверхностных  теплообменников содержит тепловой, конструктивный, гидравлический, прочностный  и технико-экономический расчеты, которые обычно выполняются в нескольких вариантах. Оценка выбранного варианта производится по одному из признаков оптимальности: коэффициенту полезного действия, технико-экономическому критерию оптимальности и др.

Тепловой расчет поверхностного теплообменника состоит в решении общего уравнения теплопередачи Q = qF совместно с уравнением теплового баланса Q = M1Di1=M2Di2, для конкретных условий работы теплообменника: данных рабочих сред, конструктивных размеров элементов теплопередающей поверхности, заданных пределов изменения температур и схеме относительного движения теплоносителей (см. гл. XII). Решением является совокупность правил (алгоритм), однозначно приводящих от исходных данных к результату—значению площади поверхности теплообмена в проектном (прямом) расчете либо к значению температур потоков на выходе из аппарата при проверочном расчете.

Вследствие влияния  многочисленных факторов и различия в исхо,1цы.\ данных общее решение, пригодное для любого теплообменника, отсутствует. Однако существует несколько простых методов приближенного расчета, отличающихся различными допущениями, легко реализуемых при ручном и машинном счете, среди них наиболее доступны методы расчета Грасгофа, Колбэрна, А. П. Клименко и Г. Е. Каневца (Институт газа АН УССР).

Рассмотрим в  качестве примера методику теплового  и конструктивного расчета наиболее распространенного парожидкостного трубчатого подогревателя непрерывного действия по способу Грасгофа. В проектных тепловых расчетах подогревателей определяют:

а) среднюю разность температур и средние температуры  рабочих тел;

б) тепловую нагрузку и расход рабочих тел;

в) коэффициент  теплопередачи;

г) поверхность  нагрева.