Теплообменный аппарат

 

Использование: молочная и пищевая промышленность. Сущность изобретения: боковые стенки корпуса теплообменного аппарата образованы двумя обечайками 8 , расположенными одна внутри другой, цилиндрический складчатый лист размещен между обечайками, имеет винтовые гофры 4 и прикреплен на торцах к кольцевым крышкам 5 обечайки. Кольцевые крышки взаимодействуют друг с другом через уплотнительные узлы. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к молочной промышленности для обеспечения тепловых режимов при переработке, хранении, транспортировке, упаривании молока и может быть использовано в пищевой промышленности для других продуктов.

Наибольшее распространение в молочной промышленности получили пластинчатые теплообменники /1/. Унифицированным элементом служит пластина. Недостатком такого элемента является необходимость выполнять его для обеспечения жесткости с различной формой трехмерных рифлей. Наличие рифлей приводит к некоторому увеличению теплообменной поверхности (~ в 1,3 раза), некоторой интенсификации теплообмена, но сопровождается опережающим ростом гидравлического сопротивления, т.е. коэффициент эффективности (отношение приращения теплоотдачи к росту гидравлического сопротивления) получается заметно меньше единицы /2/. Совмещение на одной пластине теплообменной поверхности с коллекторными отверстиями и направляющими аппаратами приводит к некачественному выравниванию профиля скоростей по ширине пластины. Требуется выдерживать жесткие допуски при штамповке пластин. Наличие сложного профиля резиновых уплотнений между каждой пластиной является слабым местом, поскольку трудно выдержать идентичность размеров щелевых каналов при стягивании пакетов, нет уверенности в обеспечении герметичности между полостями пастеризованного и сырого молока; в случае интенсивного пригарообразования для механической очистки требуется его полная разборка, отсутствует возможность упаривания молока.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является теплообменник по /3/. Известное устройство состоит из крышек о патрубками входа и выхода, корпуса (боковых стенок с торцевыми фланцами) и складчатого листа, герметично присоединенного к корпусу. Лист разделяет камеру корпуса на две полости и служит теплопередающей поверхностью, площадь которой развита за счет складок. Каждую складку можно рассматривать как своеобразную ламель. Последняя особенность развитие поверхности за счет складок основная идея данного устройства.

Применительно к работе с молоком устройство обладает следующими недостатками: из-за неразборности отсутствует возможность механической очистки теплоотдающей поверхности, трудно обеспечить санитарногигиеническую отмывку поверхности из-за образования застойных зон в результате поворотов потока молока в районе входного и выходного патрубков. Поскольку в пастеризаторах-охладителях основную долю (до 70%) теплопередающей поверхности составляет рекоперационный участок, требуется соединять в группы несколько десятков теплообменников-секций, что сопряжено с необходимостью использования перемыкающих патрубков и увеличения общего гидравлического сопротивления. Нельзя проводить операции по упариванию, так как для этого нужно обеспечить наличие свободной поверхности молока. Указанные недостатки обусловлены самой конструкцией прототипа.

Задачей изобретения является устранение упомянутых недостатков. В устройстве, состоящем из корпуса, разделенного складчатым листом на две полости, каждая из которых снабжена окнами для подвода и отвода среды, предлагается придать новую форму известным элементам и ввести новые, а именно главный элемент, теплопередающая поверхность, аналог складчатого листа, выполнен цилиндрическим с винтовыми гофрами и прикрепленными на концах торцевыми кольцевыми крышками трапецеидальной формы в поперечном сечении с боковыми коническими поверхностями для обеспечения пленочного режима течения продукта при его упаривании, верхнюю полку гофры выполняют наклонной; корпус из соосных цилиндрических обечаек с прикрепленными на торцах кольцевыми фланцами с боковой конической поверхностью; уплотнительные узлы (новые элементы) образованы взимодействующими коническими поверхностями на торцевых крышках и торцевых фланцах с прокладкой из эластичного материала.

Техническим результатом предлагаемого устройства по сравнению с прототипом становится следующее: обеспечена возможность его разборки для механической очистки за счет введения разъемных уплотнений; если по техническим причинам изготовляются короткие цилиндры складчатого листа, обеспечена возможность их компактного соединения для увеличения теплообменной поверхности (например, пайкой-сваркой); исключены застойные зоны, улучшена гидравлика трактов и тем самым обеспечена возможность качественной санитарно-гигиенической отмывки поверхностей и уменьшения общего гидравлического сопротивления тракта за счет отсутствия резких поворотов потока и исключения переходных патрубков; обеспечена возможность унифицирования деталей и сборки теплообменников из них на разные технологические параметры, поскольку гофры обладают компенсаторными способностями, можно последовательно соединять теплопередающие секции в колонны требуемой длины без введения специальных компенсаторов температурных удлинений; с целью интенсификации теплообмена на поверхностях гофр выполняют канавки-выпуклости под углом 50 60^o к вектору окружной скорости потока или шаровые впадины-пуклости. На фиг. 1 изображен теплообменный аппарат с поперечным разрезом, на фиг. 2 поперечный разрез аппарата с гофрированными стенками корпуса, на фиг. 3 поперечный разрез аппарата с наклонными гофрами, на фиг. 4 интенсификаторы теплообмена в виде канавок-выпуклостей, на фиг. 5 интенсификараторы теплообмена в виде шаровых впадин-пуклостей.

Устройство содержит наружную обечайку 1 с прикрепленными к ней (например, путем сварки) торцевыми фланцами 2 и 2' с боковыми коническими поверхностями, эластичную оболочку 3, облегающую изнутри обечайку, цилиндрический складчатый лист с винтовыми гофрами 4, прикрепленные к ней кольцевые торцевые крышки 5 и 5' трапецеидальной формы в поперечном сечении, патрубки входа 6 и 6', юбки 7 с отверстиями под клиновые прижимы 8 и 8' (клиновые прижимы размещаются по окружности юбок равномерно в количестве от трех и более), торцевые фланцы 9 и 9', скрепленные с внутренней обечайкой корпуса 10, облегающую эластичную оболочку 11, кольцевую плиту 12, патрубки подвода компрессионной среды 13 и 13', выходные патрубки 14 и 14', стопорные винты 15, хвостовики о отверстиями под клинья 16, кольцевые прокладки 17 и 17', интенсификаторы в виде канавок-выступов 18, шаровых впадин-пуклостей 18'.

Устройство работает следующим образом.

Через входной патрубок 6 продукт поступает в полость между наружной обечайкой 1 и гофрированной поверхностью 4, проходит, нагреваясь (охлаждаясь), по винтовому каналу и выходит через выходной патрубок 14. Горячая (холодная) вода подается через патрубок 6' в полость между гофрированной поверхностью 4 и внутренней обечайкой 10, двигаясь противотоком, нагревает (охлаждает) продукт и выходит через патрубок 14'.

В случае больших зазоров между вершинами гофр и обечайками (по технологии изготовления, например), чтобы воспрепятствовать перетечкам через упомянутые зазоры, вводятся эластичные оболочки 3, 11, которые прижимаются к вершинам гофр компрессионной средой (дистиллированная вода, например), подаваемой через патрубки 13 и 13', причем оболочки 3, 11 могут быть выполнены заодно о кольцевыми прокладками 17 и 17'. Компрессионное устройство в заявке не рассматривается. В простейшем случае это нивелирная составляющая столба воды.

В связи о тем, что существуют технологические ограничения на выбор минимального радиуса закругления вершин и оснований гофр при необходимости обеспечения малых гидравлических диаметров (зазоров между гофрами и корпусом) на цилиндрических обечайках корпуса выполняют эквидистантные винтовые гофры соответственно гофрам складчатого листа (фиг. 2). Разборка-сборка аппарата осуществляется путем ввинчивания-вывинчивания обечаек аналогично паре винт-гайка. Узел уплотнения остается без изменения.

Для использования аппарата в качестве упаривателя гофры выполняют наклонными (фиг. 3). Расход среды выбирается таким, чтобы обеспечить пленочный режим безнапорного течения молока за счет уклона винтовой гофры. Развитая свободная поверхность продукта, постоянный подвод тепла позволяют процесс упаривания осуществлять от низкопотенциального теплового источника, что повышает экономическую эффективность процесса. Пар через зазор между вершинами гофр и обечайкой корпуса выходит через патрубок 13 и поступает, например, в конденсационный аппарат (он не показан).

Разборка аппарата для механической очистки поверхностей осуществляется следующим образом. Снимают давление компрессионной среды (путем слива, например), вынимают клинья 8 и 8', после чего можно легко извлечь цилиндрический складчатый лист из корпуса.

Возможность реализации предлагаемого устройства подтверждена изготовлением и испытаниями (на воде) экспериментального образца.

Из качественных рассуждений достаточно очевидно, что за счет улучшения гидравлических характеристик тракта (выравнивание раздачи потока по поперечному сечению гофр, исключение местных потерь на изменение скорости потока) по сравнению с пластинчатыми аппаратами можно достичь более высоких коэффициентов регенерации тепла, снизить вредные стоки за счет уменьшения расходования моющих средств.

Использованные источники 1. М. Б. Барановокий, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенский. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М. Машиностроение, 1973.

2. Л.М. Коваленко, А.Ф. Глушков. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М. Энергоатомиздат, 1986.

3. Заявка ФРГ N 2408462, кл. F 28 D 9/00, 1975.

Формула изобретения

1. Теплообменный аппарат, состоящий из корпуса, разделенного складчатым листом на две полости, каждая из которых снабжена окнами для подвода и отвода среды, отличающийся тем, что боковые стенки корпуса образованы двумя расположенными одна внутри другой обечайками с прикрепленными к ним торцовыми фланцами, цилиндрический скадчатый лист размещен между обечайками, имеет винтовые гофры и снабжен торцовыми кольцевыми крышками, между поверхностями торцовых фланцев и крышек размещены уплотнительные элементы.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что обечайки корпуса снабжены винтовыми гофрами, соответствующими гофрам цилиндрического складчатого листа.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что винтовые гофры на складчатом листе выполнены наклонными.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что между обечайками и вершинами гофр размещены эластичные цилиндрические оболочки, торцовые крышки имеют в поперечном сечении трапецеидальную форму, а торцовые фланцы соответственные конические боковые поверхности и снабжены дополнительными отверстиями.

5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что поверхность гофр снабжена интенсификаторами теплообмена в виде канавоквыпуклостей или шаровых впадин-пуклостей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5