Типові схеми теплообмінників
Розрізняють такі групи конструкцій теплообмінників:елементні, з сорочками, кожухотрубні, занурювальні трубчасті, зрошувальні та з плоскими поверхнями нагрівання.
Теплообмінники із сорочками. Мають подвійні стіни різноманітної конфігурації, якими відбувається теплообмін. Швидкість руху теплоносіїв у сорочках мала, і тому теплообмін не надто інтенсивний. Часто для його інтенсифікації теплообмінники вбудовують мішалки (рис. 25.1).
На рисунках 25.1. 25.3 наведено типові схеми теплообмінників, що відрізняються засобами організації просторового поля температур.
В апаратах повного змішування організується перемішування теплоносія в обсязі апарату; це призводить до вирівнювання температур обсягом (див. рис. 25.1).
В апаратахповного витіснення (рис. 25.2) повністю відсутнє перемішування даного теплоносія. Нові його порції, які у апарат, витісняють старі, не змішуючись із нею.
В апаратах, виконаних за проміжною схемою (рис. 25.3), мають місце елементи як першої, так і другої вищеназваних схем. Температури теплоносія, що підігрівається в цій схемі і в схемі повного витіснення змінюються по довжині апарату експоненційно, хоча і з різними показниками експонент.
Кожухотрубні теплообмінники. Найбільш поширені у харчових виробництвах. Вони є пучок труб, розміщених у кожусі. Трубки закріплюють, наприклад, завальцовують в міжтрубні грати, що відокремлюють міжтрубну порожнину.
рухомих по обох порожнин теплообмінника, стрілками К потік конденсату пари, що гріє, Р потік неконденсуються газів, що виділяються при конденсації.
Циліндричні трубки мають відносно несприятливе з точкизору теплообміну відношення площі прохідного перерізу до площі поверхні: поверхня відносно мала. У зв'язку з цим для нагрівання великих масових потоків рідини, поточних трубами, потрібна велика довжина труб. Тому скорочення розмірів теплообмінників їх поділяють на секції, з'єднані послідовно. Загальна довжина шляху теплоносія у своїй збільшується. Такі теплообмінники називають багатоходовими. Відомі різноманітні конструкції багатоходових теплообмінників: з перекриваючими рух перегородками; з U-подібними трубками на одній трубній решітці, що виймається з корпусу; з плаваючою головкою - колектором, що замінює нижню сполучну частину U-подібних трубок, та ін Вхід і вихід теплоносія в теплообмінниках влаштовують таким чином, щоб природний тепловий конвективний рух збігався з напрямом примусового руху теплоносія. Для цього тепліший і охолоджуваний компонент підводять зверху, а холодний підігрів - знизу. Цю умову неможливо витримати в багатоходових теплообмінниках, встановлених вертикально, тому часто встановлюють горизонтально.
Одноходові теплообмінники переважно встановлювати вертикально. Однак є й інші міркування, які можуть змусити змінити спосіб їх встановлення: зручність чищення труб, зручність монтажу в конкретній будівлі та ін.
На малюнку 25.5, а наведено поздовжній розріз чотириходового теплообмінника, на малюнку 25.5 б показано пристрій перегородок у його верхній і нижній розподільних коробках. Дві перегородки у верхній коробці позначені суцільними лініями, одна перегородка у нижній коробці показана пунктирною лінією. На малюнку 25.5, в, г наведено пристрій перегородок у верхній та нижній розподільчих головках восьмиходовогокожухотрубний теплообмінник.
Елементні теплообмінники (складені з найпростіших однотипних елементів). Їх застосовують як швидкісні, тобто при великих швидкостях течії, а також за високої вартості теплоносія (у холодильній техніці). В елементних холодильниках вхідна та вихідна порожнини відсутні і завдяки цьому їх робочі порожнини мінімізуються. В результаті теплоносія потрібно менше. У таких теплообмінниках можна дотриматися протиточного руху компонентів і витримати бажані їх швидкості.
Занурювальний трубчастий теплообмінник. Має вигляд змійовика, зануреного в посудину з рідиною. Більш гаряче робоче тіло зазвичай подають у змійовик зверху. Теплообмін може інтенсифікуватись мішалками. Витки змійовика скріплюють планками для міцності. Такі теплообмінники застосовують при великому тиску в трубках, а також як додаткові підігрівачі.
Зрошувальні теплообмінники. Це трубчасті спіралі з горизонтальними витками, які розміщені в одній вертикальній площині. При зрошенні верхнього витка цієї спіралі вода стікає на нижчі витки і охолоджує також і їх. Застосовують зрошувальні теплообмінники у холодильній техніці при високому тиску всередині трубок.
Теплообмінники з плоскими поверхнями нагрівання. Це оребрені трубчасті теплообмінники з ребрами у вигляді пластин (калорифери) та пластинчасті теплообмінники.
Живий перетин міжтрубного простору калориферів становить близько 40%. Їх розрахунок виконують за довідковими даними каталогів калориферів, у яких наводять коефіцієнт теплопередачі в залежності від швидкості повітря та температури теплоносія, а також гідравлічний опір повітряним трактом.
Пластинчасті рідинні та парорідкісні теплообмінники збираютьіз пакетів сталевих штампованих пластин. Такі елементи з'єднують у батареї.
МЕТОДИ випаровування
Випарювання - процес концентрування (згущення) розчинів, суспензій та емульсій при кипінні. Концентрація розчинених речовин збільшується через перетворення на пар розчинника або дисперсійного середовища емульсій і суспензій. Випарюють водні розчини різних речовин (соки), емульсії (молоко), суспензії (барду) та ін. При випаровуванні вода з розчину видаляється у вигляді пари, а розчинена речовина або дисперсна фаза емульсій і суспензій залишається в незмінній кількості.
Випарювання ведуть у технологічних пристроях, званихвипарними апаратами.
Уякості гріючого агента при випарюванні використовують водяну пару, яку називають гріючим або первинним. Пар, що утворюється при випаровуванні киплячого розчину, називають вторинним
Процеси випарювання проводять під вакуумом, при підвищеному та атмосферному тиску.
У міру згущення фізичні властивості розчину змінюються (рис. 26.1).
Випарювання під вакуумом має інші переваги. При розрідженні збільшується корисна різниця температур між гріючим агентом і розчином, що дозволяє зменшити площу поверхні нагрівання апарату (за інших рівних умов). У разі однакової корисної різниці температур при випаровуванні під вакуумом можна використовувати агент, що гріє, нижчих параметрів (температура і тиск). Завдяки можливості зниження температури гріючого агента в якості такого можна використовувати вторинну пару цієї ж випарної установки, що дозволяє знизити витрату первинної пари, що гріє. Поряд з цим вартість вакуумної випарної установки підвищується, так як при цьому потрібні додаткові витрати на пристроїстворення вакууму (вакуум-насоси, конденсатори, сепаратори для відокремлення крапель розчину). При цьому збільшуються також експлуатаційні витрати
Вторинну пару, що відбирається набік, називають екстрапаром. Далі буде показано економічну доцільність використання екстрапара.
Випарювання під надлишковим тиском пов'язане з підвищенням температури кипіння розчину, тому даний спосіб застосовують досить рідко і у випадках випарювання термічно стійких речовин
При випарюванні під атмосферним тиском вторинна пара не використовується і видаляється в атмосферу. Такий спосіб випарювання є періодичним, найпростішим, але водночас і найменш економічним.
При періодичному випарюванні розчин надходить у випарний апарат і згущується в ньому до заданої концентрації або в міру випарювання в апарат вводять свіжий розчин до тих пір, поки маса, що уварюється, не заповнить апарат. Згущений розчин випускають і повторюють процес.
Випарювання проводять як в одиночних випарних апаратах (однокорпусні випарні установки), так і в установках з декількома випарними апаратами (багатокорпусні випарні установки). У багатокорпусних установках, які є більш поширеними, вторинна пара кожного попереднього корпусу направляється в якості пари, що гріє, в наступний корпус. Щоб забезпечити випарювання, необхідно створити різницю між температурою вторинної пари з попереднього корпусу та температурою кипіння розчину в даному корпусі. Ця різниця температур, тобто рушійна сила процесу випарювання створюється зниженням тиску в послідовно з'єднаних корпусах. У цих установках первинною парою з котельні або іншого парогенератора обігрівається тільки перший корпус. Отже, у багатокорпуснихвипарних установках досягається значна економія первинної пари в порівнянні з однокорпусними установками тієї ж продуктивності.