Практическая работа 11

 

 

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

 

Цель: сформировать представление об устройстве и принципах работы теплообменных аппаратов

План

1 Общие сведения

2 Кожухотрубный теплообменник

3 Теплообменники типа «труба в трубе».

4 Змеековый теплообменник

5 Спиральный теплообменник

6 Пластинчатый теплообменник

7 Теплообменник с рубашкой

 

1 Общие сведения

Теплообменные аппараты (теплообменники) — это аппараты, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагрева­емой средами.

В теплообменниках могут происходить разные процессы: на­гревание, охлаждение, испарение, выпаривание, конденсация, затвердение и сложные комбинированные процессы.

Теплообменники применяются практически во всех отраслях пищевой промышленности, например, пастеризация пива в пла­стинчатом теплообменнике, выпаривание диффузионного сока в сахарном производстве, уваривание карамельной массы в кон­дитерском производстве, конденсация вторичного пара при вы­паривании растворов и др.

Рекуперативные (поверхностные) теплообменники имеют теп­лоносители, разделенные стенкой, и теплота передается от одно­го теплоносителя к другому через разделяющую стенку.

В регенеративных теплообменниках передача теплоты происхо­дит посредством соприкосновения одного теплоносителя с ранее нагретыми телами — неподвижной или перемещающейся насад­кой, периодически нагреваемой или охлаждаемой другим тепло­носителем.

Смесительные теплообменники — аппараты, в которых тепло­обмен осуществляется без разделительной стенки между теплоно­сителями при их непосредственном соприкосновении.

Рекуперативные (поверхностные) теплообменники. Теплообмен­ники рекуперативные (поверхностные) выпускаются следующих типов:

трубчатые — кожухотрубные, типа «труба в трубе», ороситель­ные, погружные (змеевиковые);

спиральные;

пластинчатые — с оребренной поверхностью теплообмена;

с поверхностью, образованной стенками аппарата.

2 Кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубный одноходовой теплообменник (рис. 4.4, а) представляет собой аппарат, состоя­щий из пучка труб 4, жестко закрепленных в трубных решетках 2 и ограниченных кожухом 3 и крышками 1 со штуцерами. Между крыш­ками и трубами образуется трубное пространство, а между кожу­хом и наружной поверхностью труб — межтрубное пространство.

 

qqq2.png

 

Трубное и межтрубное пространства, по которым движутся теплоносители, разделены между собой поверхностью теплооб­мена, причем каждое из них может быть поделено перегородками на несколько ходов. На рис. 4.4, б изображен многоходовой тепло­обменник, который имеет два хода (/ и II) по трубному про­странству. Перегородки устанавливаются в целях увеличения ско­рости движения теплоносителей, а следовательно, и интенсивности теплообмена. В этих аппаратах перегородки в крышках делят трубы на секции, через которые последовательно проходит жид­кость. Число труб в секциях одинаково. В многоходовом теплооб­меннике по сравнению с одноходовым такой же площадью по­верхности скорость и коэффициент теплоотдачи возрастают соот­ветственно числу ходов.

 

3 Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 4.7) включают в себя несколько расположен­ных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы 1 большого диаметра и концентри­чески расположенной внутри нее трубы 2. Внутренние трубы эле­ментов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой и наружные трубы. Для очистки внутренние трубы соединяют с помощью закругленных труб «калачей» 3.

 qqq3.png

 

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплооб­менниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей

как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из не­скольких параллельных секций, присоединяемых к общим кол­лекторам.

Преимуществами теплообменников типа «труба в трубе» явля­ются: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей; простота изготовления.

К недостаткам этих теплообменников можно отнести громозд­кость; высокую стоимость ввиду большого расхода металла на на­ружные трубы, не участвующие в теплообмене; трудность очист­ки межтрубного и трубного пространства.

4 Погружные змеевиковые теплообменники. Погружные змееви­ковые теплообменники состоят из змеевиков, помещенных в со­суд с жидким теплоносителем. Внутри змеевиков движется другой теплоноситель. При большом количестве этого теплоносителя для сообщения ему необходимой скорости используют змеевики из нескольких параллельных секций.

На рис. 4.8 показан змеевиковый теплообменник погружного типа, состоящий из цилиндрических змеевиков /, установленных в цилиндрическом корпусе 2. Змеевик выполнен из концентри­чески расположенных параллельных секций.

 

 

qqq4.png

 

Преимуществами погружных теплообменников являются: про­стота изготовления; доступность поверхности теплообмена для осмотра и ремонта; малая чувствительность к изменениям режима вследствие наличия большого объема жидкости в сосуде.

К недостаткам этих теплообменников относятся: громоздкость; неупорядоченное движение жидкости в сосуде, в результате чего теплоотдача снаружи змеевиков происходит путем свободной кон­векции с невысоким коэффициентом теплопередачи; трудность внутренней очистки труб.

5 Спиральные теплообменники. Спиральные теплообменники со­стоят из двух спиральных каналов, по которым движутся тепло­носители /и //(рис. 4.9).

 qqq5.png

 

Каналы образуются тонкими металлическими листами / и 2, которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние концы листов, расположенных в виде спиралей, соединены разделитель­ной перегородкой 3. Для придания спиралям жесткости и фикси­рования расстояния между ними имеются прокладки. Система ка­налов закрыта с торцов крышками 4.

Преимущества спиральных теплообменников: компактность; возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими ско­ростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопереда­чи; при тех же скоростях гидравлическое сопротивление спираль­ных теплообменников меньше сопротивления многоходовых ко­жухотрубных теплообменников.

К недостаткам относятся: сложность изготовления (необходим специальный намоточный станок) и ремонта; непригодность для работы под избыточным давлением свыше 6 ат (или 10 ат); труд­ность очистки от накипи.

6 Пластинчатные теплообменники. Широко применяются в мо­лочном, пивоваренном, винодельческом, консервном и других производствах для нагревания, охлаждения, пастеризации и сте­рилизации жидкостей.

 

qqq6.png

Конструкция пластинчатого теплообменника (рис. 4.10, а) за­висит от предъявляемых к нему производственных требований. От­личительной особенностью этих теплообменнике является то, что поверхность их нагрева состоит из гофрированных пластин 2 м 5, соединяемых последовательно и снабженных промежуточными прокладками. С помощью пластин создается система узких кана­лов шириной 3... 6 мм с волнистыми стенками. Теплоносители движутся в каналах между смежными пластинами, омывая проти­воположные боковые стороны каждой пластины. Пластины стя­нуты стяжным винтовым устройством 4 между головными плита­ми / и 3. Теплоноситель /движется по нечетным каналам 5, теп­лоноситель II — по четным каналам 2 (рис. 4.10, б).

Все пластины в теплообменнике собираются в пакеты. Пакетом называют группу пластин, между которыми теплоноситель дви­жется в одном направлении.

Собранные в пакеты пластины образуют плоскопараллельные каналы, по которым проходят теплоносители (см. рис. 4.10, б). Пакеты с небольшим числом пластин в каждом соединяются по­следовательно по ходу теплоносителя.

Площадь поверхности теплообмена одной пластины F\ для теп­лообменников:

без промежуточных листов

Суммарная длина каналов в одной пластине:

nd3z

где d3 — эквивалентный диаметр канала, м; z — число каналов на одной стороне пластины.

В одном пластинчатом теплообменнике с помощью промежу­точных пластин часто создают процессы нагревания и охлажде­ния разными тепло- и хладоносителями.

К преимуществам таких теплообменников относятся: большие скорости движения теплоносителей и высокие коэффициенты теп­лопередачи при сравнительно низком сопротивлении благодаря малому расстоянию между пластинами; теплоносители можно про­пускать через пластинчатый теплообменник противотоком, пря­мотоком и по смешанной схеме.

Недостатками этих аппаратов являются: диапазон рабочих тем­ператур и сред, ограниченный термической и химической стой­костью прокладочных материалов; трудности очистки от накипи.

7 Теплообменники с поверхностью теплообмена, образованной стен­ками аппарата. Простейшим аппаратом данной группы является теплообменник с рубашкой и якорной мешалкой (рис. 4.11). Рубаш­ка крепится к корпусу (сваркой) или к фланцу аппарата (на бол­тах). По замкнутому пространству между рубашкой или наружной поверхностью корпуса пропускается нагревающий (пар) или ох­лаждающий агент. Применение таких рубашек ограничено допу­стимым избыточным давлением, не превышающим 10 ат.

 

qqq7.png

 

 

Рис. 4.11. Теплообменник с рубашкой и

якорной мешалкой

 

 

Якорная мешалка применяется для предотвращения образова­ния осадка или накипи на днище и для равномерного нагревания (охлаждения) всей массы.

Регенеративные теплообменники. В регенеративных теплообмен­никах в качестве насадки применяют кирпичи, зернистый материал, металлические листы, шары, алюминиевую фольгу и др. В течение первого периода (период нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, причем отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки и в
ней же аккумулируется. В течение

второго периода (период охлаждения насадки) через аппарат про­пускают холодный теплоноситель, который нагревается за счет теплоты, аккумулированной насадкой. Периоды нагревания и ох­лаждения насадки продолжаются от нескольких минут до несколь­ких часов.

Для непрерывного осуществления теплопередачи между теп­лоносителями необходимы два регенератора: в то время как в од­ном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты пе­реключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении.

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1.     Как устроены кожухотрубный, пластинчатый, змеевиковый, спи­ральный теплообменники? Какие достоинства и недостатки присущи этим теплообменникам?

2.     В чем заключается расчет кожухотрубного теплообменника?

3.     Какими способами осуществляется процесс выпаривания и какие конструкции выпарных аппаратов применяются в пищевой отрасли?

4.     От каких параметров зависит выбор выпарной установки и опре­деление оптимального числа корпусов в ней?

5.     При каких условиях происходит процесс конденсации паров и га­зов?

6.     Как устроены поверхностный конденсатор и конденсатор смешения?

7.     Чем различаются конденсаторы смешения «мокрого» и «сухого» типов?

8.     В чем заключается расчет барометрического конденсатора смешения?

9.     Какие хладагенты используются для охлаждения газов, паров и жидкостей?

10. Перечислите основные конструктивные элементы паровых комп­рессионных холодильных установок.