Нагреватели поверхностного типа (Часть I)

Пластинчатые. Пластинчатый нагреватель — одна из секций теплообменного аппарата, который является главной составной частью стерилизационной установки. Действие высоких температур, вызывающее основные химические реакции, начинается в регенеративной секции стерилизационной установки и продолжается в нагревателе (секции стерилизации).

Продолжительность нагрева молока до заданной температуры стерилизации существенно влияет на свойства стерилизованного молока. Сокращение продолжительности действия температуры для улучшения качества молока как главная задача решается на основе изучения тепловых и гидродинамических характеристик применяемых нагревателей.

Н. В. Барановским были выполнены обстоятельные исследования пластинчатых теплообменников, которые применяют в пастеризационных установках в качестве нагревателей и охладителей.

Порядок расчета, предложенный Барановским, можно рекомендовать для расчета нагревателей стерилизационных установок с учетом специфики процесса стерилизации.

Основным конструктивным элементом пластинчатого нагревателя является теплопередающая пластина. Интенсивность теплопередачи зависит от формы, размеров и ее конструктивных особенностей.

Ряд пластин, сжатых параллельно через прокладки, образует пакет с каналами, по которым движутся теплоноситель и молоко.

Особенностью работы пластинчатого теплообменника, используемого как нагреватель в стерилизационной установке, является применение пара или горячей воды (давление 630 кПа) в качестве теплоносителя. Это налагает два дополнительных условия: увеличение прочности конструкции и ограждение обслуживающего персонала от последствий при соприкосновении с горячей поверхностью.

Таким образом, в каналах нагревателя течет нагреваемое молоко, пар или горячая вода. Теплообмен между средами происходит через металлическую теплопередающую стенку, и интенсивность его характеризуется коэффициентом теплопередачи

Коэффициент теплопередачи определяется термическими сопротивлениями, возникающими при теплообмене, и в большей степени зависит от значения наибольшего из них.

Существующее многообразие форм профиля теплообменных пластин свидетельствует о том, что усилия исследователей в основном направлены на снижение термического сопротивления теплоотдачи от стенки к холодной среде.

Наиболее распространенные конфигурации каналов, образованных пластинами различных типов и конструкций, приведены на рис. 1.

Существующее направление создания извилистых каналов объясняется желанием получить искусственную турбулизацию потока. Благодаря возникновению поперечных токов в таких каналах достигается высокая степень искусственной турбулизации и размыва пограничного слоя.

Пристенный пограничный слой препятствует не только интенсивности теплопередачи от стенки в турбулентное ядро, но и благоприятствует образованию осадка, особенно тогда, когда нагреваемая среда является биологической жидкостью. Составляющие ее компоненты под влиянием высоких температур, при незначительной скорости и ламинарном характере движения пограничного слоя быстро выпадают в осадок на поверхности стенки, образуя дополнительное сопротивление, значительно превышающее по величине термическое сопротивление металлической стенки.

Увеличение толщины осадка в процессе нагревания потока молока влечет за собой не только повышение термического сопротивления, но и уменьшение живого сечения канала. Существуют допустимые пределы по толщине осадка (0,5 мм), превышение которых нежелательно, и поэтому аппарат подлежит периодической мойке. В связи с этим в установленный период между мойками можно считать, что гидродинамические условия в каналах аппарата практически не изменяются.

Схема турбулентного потока жидкости в межпластинном канале (по Коваленко) для ленточно-поточных пластин с горизонтальными гофрами (тип П-2) представлена на рис. 2. Эпюры скоростей в различных сечениях канала в пределах одного поворота, т. е. на длине l = 22,5, имеют неодинаковую конфигурацию.

Наблюдаемые различия прежде всего свидетельствуют о том, что отдельные частицы в рассматриваемом ограниченном пространстве движутся с различной скоростью. Это в определенной степени отражается на продолжительности их пребывания в нем.

Определить продолжительность пребывания любой фиксированной макроскопической частицы при ее движении в турбулентном потоке нельзя ни аналитически, ни экспериментально. Однако косвенные методы, например замер температурного поля, определение скоростей вдоль потока позволяют судить о характере передвижения и теплопереноса частиц в потоке.

Рис. 1. Конфигурации межпластинных каналов: а — типа «Альфа-Лаваль» (П-2); б —типа «Парафлоу»; в — типа APV-Йорк; г — типа «Супперплейт».

В рассматриваемом сечении канала температура жидкости в турбулентном ядре приблизительно одинаковая. Теплоотдача в этой области связана с перемещением масс жидкости. Пристенный слой характеризуется значительным температурным и скоростным градиентами. Здесь наблюдается резкое падение температуры — от температуры стенки до средней температуры жидкости. Причем действию высоких температур подвержены частицы, движущиеся с меньшей скоростью, т. е. те, которые расположены ближе к стенке.

Рис. 2. Схема турбулентного потока жидкости в межпластинном канале:

1 — профиль давлений; 2 — профиль скоростей; 3 — вихревая область.

Все это свидетельствует о том, что определенное число частиц (количественной оценке это явление пока не поддается) могут пребывать под действием высоких температур длительное время, которое может значительно превысить время, необходимое для инактивации микроорганизмов. В таких условиях компоненты, составляющие молоко, полностью разрушаются.