На нашем интернет портале море информации по пищевой
и перерабатывающей промышленности, АПК и пищевой тематике
» » Пароконтактные нагреватели (Часть I)

Пароконтактные нагреватели (Часть I)

Типа «пар в молоко».Конструкция обеспечивает нагревание продукта до температуры стерилизации путем введения пара в поток. Эффективность работы этих нагревателей значительно выше, чем нагревателей поверхностного типа, так как теплообмен на границе раздела фаз пар—жидкость характеризуется наивысшими значениями коэффициента теплоотдачи.

Конструкция нагревателя отличается компактностью, надежностью в работе и простотой эксплуатации.

Пароконтактный нагреватель этого типа представляет собой закрытый канал, по которому движется нагреваемая жидкость. В поток жидкости через специальные отверстия вводится насыщенный водяной пар.

Количество пара и его температура определяют степень нагревания жидкости.

При конденсации пара выделяющаяся скрытая теплота парообразования распределяется в массе жидкости конвекцией и теплопроводностью. Эти два вида теплопереноса предопределяются условиями гидродинамической обстановки.

В процессе нагревания участвует тепло, выделившееся при конденсации, а также тепло, передаваемое нагреваемой жидкости от конденсата, если в момент завершения конденсации пара температура жидкости окажется ниже температуры конденсации. Другими словами, произойдет выравнивание температур конденсата и рабочей жидкости при их смешении.

В том случае, если количество выделившейся скрытой теплоты окажется достаточным для нагревания жидкости до температуры, равной температуре конденсации, теплообмена между конденсатом и рабочей жидкостью не произойдет.

Подобное схематичное представление процесса нагревания жидкости пароконтактным способом, хотя и не в полной мере, но показывает большую сложность тепловых и гидродинамических явлений, происходящих в условиях взаимодействия двух фаз, одна из которых изменяет свое агрегатное состояние.

Возможность достижения эффективного нагревания жидкости в пароконтактных нагревателях и перспективы широкого применения их в промышленности были причинами появления большого количества конструктивных видов нагревателей.

Появлению большого количества типов пароконтактных нагревателей способствовало решение вопроса о том, каким способом следует вводить пар в поток жидкости.

Три типа пароконтактных нагревателей, в которых способ введения пара осуществлен различными конструктивными решениями, представлены на рис. 1. Можно считать, что эти три типа пароконтактных нагревателей являются представителями трех групп, состоящих из нагревателей однотипных с незначительными конструктивными отличиями.

На рис. 1, а показана конструкция нагревателя, принцип действия которого подобен работе форсунки.

Он имеет две концентрические кольцевые щели, через которые под давлением выходят в расширяющуюся часть корпуса 1 нагреваемое молоко и греющий пар. Греющий пар в нагреватель вводится по патрубку 8 и в расширяющуюся часть входит через кольцевую щель 5. Нагреваемое молоко вводится по патрубку 6 и выходит в расширяющуюся часть через кольцевую щель 4. Игла 3 предназначена для регулирования подачи пара.

На рис. 1, б представлена конструкция нагревателя, который осуществляет нагрев жидкости в тонком слое, формирующемся между двумя концентрическими трубками. Внутренняя трубка 2, по которой вводится греющий пар, перфорированная. Отверстия 7 в стенке трубы выполнены с некоторым уклоном (около 30°) в сторону движения жидкости и в противоположную сторону. Греющий пар вводят в тонкослойный поток молока через эти отверстия, осуществляя эффективный его нагрев.

На рис. 1, в показан пароконтактный нагреватель, состоящий из двух коаксиально расположенных труб. По центральной перфорированной трубке 2 с отверстиями малого диаметра 3 движется нагреваемое молоко. Пар вводится по патрубку 6 в кольцевое пространство между перфорированной трубкой и цилиндрическим корпусом 1. В поток молока пар проникает через отверстия 3, которые имеют уклон в сторону движения жидкости. Для интенсификации нагревания поток закручивается с помощью турбулизатора 7.

Конструкция нагревателя с закруткой потока молока применена в стерилизационной установке ВТИС. Нагреватель (рис. 2, а) имеет цилиндрический корпус 3, 14, составленный из двух половин. Внутри корпуса помещена вставка 2, набранная из пластинок, на одной из сторон которых фрезеруются поперечные канавки с площадью сечения 0,54-10-6 м.

Рис. 1. Характерные конструкции пароконтактных нагревателей типа «пар в молоко»Рис. 1. Характерные конструкции пароконтактных нагревателей типа «пар в молоко»

 Рис. 1. Характерные конструкции пароконтактных нагревателей типа «пар в молоко»: а — нагреватель с вводом пара через регулируемое сопло: 1 — корпус; 2 — фасонная вставка; 3 — регулировочная игла; 4 — кольцевая щель для молока; 5 — кольцевая щель для пара; 6 — патрубок для ввода молока; 7 — затяжные гайки; 8— патрубок для ввода пара; 9 — регулировочный винт.

б — нагреватель с распределенным вводом пара и кольцевым каналом для молока:

1 — цилиндрический корпус; 2 — перфорированная трубка; 3 — уплотнительные гайки; 4— патрубок для ввода греющего пара; 5 — патрубок для ввода молока; 6 — патрубок для выхода молока; 7 — отверстия для пара.

в — нагреватель с распределенным вводом пара и круглым каналом для молока: 1 — цилиндрический корпус; 2 — перфорированная трубка; 3 — отверстия для пара; 4 — уплотнительные гайки; 5 — патрубок для выхода молока; 6 — патрубок для входа пара; 7— турбулизатор; 8 — патрубок для входа молока.

 

В собранном виде образуются отверстия того же сечения, направленные тангенциально по отношению к каналу для молока.

Входящий через тангенциальные отверстия пар закручивает поток молока, усиливая его перемешивание, а следовательно, увеличивая эффективность нагревания.

Описанную конструкцию пароконтактного нагревателя следует причислить к нагревателям с распределенным вводом пара. Опыт эксплуатации нагревателя показывает, что он работает устойчиво и эффективно, но в изготовлении эта конструкция сложная и дорогая. Поэтому фирма «Альфа-Лаваль» в стерилизационной установке ВТИС-Ц использует пароконтактный нагреватель, конструкция которого подобна конструкции, рассмотренной на рис. 1, а. Нагреватель установки ВТИС-Ц (рис. 2, б) имеет два концентрических кольцеобразных канала, по одному из которых — 5 течет молоко, а по другому — 9 греющий пар.

Молоко вводят в нагреватель через патрубок 3, пар через патрубок 11.

Смешение пара с молоком начинается на выходе из кольцевых каналов и продолжается в камере смешения 10 нагревателя. Часть молока проникает через отверстие 7 в центральный кольцевой канал, образованный между верхней частью корпуса 4 и центральным стержнем 2. Центральный стержень имеет кольцевую проточку, в которую вложена прокладка, предотвращающая попадание молока в регулирующее устройство 1. Путем осевого перемещения центрального стержня можно регулировать сечение кольцевой щели для молока.

Особенности конструкции любого пароконтактного нагревателя в определенной степени влияют на гидродинамические условия, при которых осуществляется нагревание жидкости.

Хотя пароконтактный способ и обеспечивает быстрый нагрев жидкости благодаря очень высоким значениям коэффициента теплоотдачи, скорость нагревания отдельных частиц массы жидкости может быть неодинакова. Это явление обусловливают прежде всего конструктивные особенности нагревателя.

 Рис. 2. Пароконтактные нагреватели стерилизационных установок фирмы «Альфа-Лаваль»

Рис. 2. Пароконтактные нагреватели стерилизационных установок фирмы «Альфа-Лаваль»:

а — ВТИС: 1 — прокладки; 2 — вставка; 3, 14 — корпус; 4 — промежуточная шайба; 5, 8 — стяжные болты; 6,9 — прокладки; 7 — патрубок для пара; 10 — корпус запорного клапана; 11 — уплотнение; 12 — клапан; 13 — пружина. б — ВТИС-Ц: 1 — регулирующее устройство; 2 — центральный стержень; 3 — патрубок для молока; 4 — верхняя часть корпуса; 5 — кольцевой канал для молока; 6 — прокладка; 7— отверстия для молока; 8 — нижняя часть корпуса; 9 — кольцевой канал для пара; 10 — камера смешения; 11— патрубок для пара.

Рис. 3. Схема распределения греющего пара в потоке жидкости

Рис. 3. Схема распределения греющего пара в потоке жидкости: а — при дискретном вводе пара; б — при распределенном вводе пара; 1 — патрубок для входа нагреваемой жидкости; 2 — корпус; 3 — дросселирующая шайба; 4 — патрубок для входа пара.

 

Схема распределения пара в потоке нагреваемой жидкости, полученная в результате скоростной киносъемки с помощью кинокамеры СКС-1 со скоростью 4000 кадров в секунду в прозрачной модели пароконтактного нагревателя, показана на рис. 3.

В первом случае пар вводят в поток через единичное отверстие. Распределение пара в потоке крайне неравномерное, во втором случае — через множество отверстий малого диаметра. Картина при таком способе введения пара изменяется. Размер пузырьков пара уменьшается, а равномерность их распределения в потоке повышается.

Замеры температур жидкости вдоль потока с помощью экспериментальной модели пароконтактного нагревателя показали значительные колебания температуры, которые по мере удаления от места ввода пара постепенно затухают.

Величина амплитуды температурных колебаний больше при дискретном вводе пара, чем при распределенном вводе.

Изучение причин, порождающих неравномерность температурного поля, является той основой, которая необходима для поиска путей совершенствования процесса пароконтактного нагревания и путей создания эффективных конструкций пароконтактных нагревателей. Поток жидкости, после того как в него будет введен пар, становится двухфазным, одна из фаз которого изменяет свое агрегатное состояние.

Пар в массе жидкости образует многочисленные области, замкнутые границами раздела. Время существования двухфазной системы определяется временем полной конденсации пара.

В этой связи мерой, ускоряющей время конденсации, является уменьшение размеров пузырьков пара. Степень же дисперсности и равномерность распределения пузырьков пара, являющихся источниками тепла, будет определять скорость нагревания частиц жидкости.

Эти обстоятельства указывают на вполне логическое решение о целесообразности создания конструкций пароконтактных нагревателей для тепловой обработки молока с распределенным вводом пара.

Распределенный ввод пара конструктивно осуществляется путем применения перфорированных перегородок.

Отверстия для пара в перфорированной перегородке рассчитывают таким образом, чтобы они обеспечили ввод в жидкость определенного количества пара, которое необходимо для ее нагревания до заданной температуры стерилизации.

Количество тепла, необходимое для нагревания жидкости, определяется равенством (без учета потерь тепла в окружающую среду)

По этому количеству тепла определяют потребность в паре только на нагревание жидкости, т. е. того количества пара, которое необходимо ввести в поток жидкости через отверстия перфорированной перегородки.

Так, для сухого насыщенного пара

Конструктивный расчет перфорированной перегородки состоит из определения количества отверстий, площади поперечного сечения отверстия, расположения отверстий и длины канала, образованного отверстием в перфорированной перегородке (рис. 4).

Наиболее простыми и дешевыми в изготовлении являются перегородки с цилиндрическими сверлениями, которые образуют каналы для выхода пара постоянного сечения.

В основу расчета элементов такого канала положены закономерности, установленные термодинамикой для случая истечения водяного пара.

Однако экспериментально установлены отклонения в определении количества пара, выходящего из цилиндрического отверстия . Это обстоятельство объясняется прежде всего тем, что канал имеет цилиндрическую форму с постоянным сечением по длине. Кроме того, истечение пара происходит в среду, где он изменяет при выходе из канала свое агрегатное состояние.

Эти особенности конструкции проявляются в том, что количество пара, рассчитанное по формуле истечения, не удовлетворяет условию нагревания жидкости до заданной температуры.

В пароконтактном нагревателе, в области нагревания жидкости давление ее сохраняется на уровне давления насыщения в соответствии с задаваемой температурой стерилизации.

Так как после нагревания жидкость охлаждают в вакууме, то давление ее при переходе из одной зоны в другую резко падает. На границе этих зон устанавливают дроссельную шайбу.

Отверстие дроссельной шайбы рассчитывают таким образом, чтобы при заданных условиях работы нагревателя внутри него сохранилось давление жидкости, предотвращающее ее вскипание при нагревании до температуры стерилизации.

В канале нагревателя, как правило, устанавливается выраженный турбулентный поток. В нем можно наблюдать с определенным допущением, не противоречащим закономерностям турбулентного потока, квазистационарное главное движение, совершающееся в направлении оси канала нагревателя. Осредненные скорости движения отдельных частиц такого квазистационарного потока, вычисленные за достаточно продолжительный промежуток времени, оказываются направленными параллельно оси.

Рис. 4. Схема расположения отверстий для пара в перфорированной перегородке

Рис. 4. Схема расположения отверстий для пара в перфорированной перегородке.

  • Похожие материалы
    • Пароконтактные нагреватели (Часть IV)

      Пароконтактные нагреватели (Часть IV)
      27-10-2012
      В целях предотвращения попадания отдельных капелек нагреваемого молока на горячие стенки нагревателя во избежание образования пригара следует предусмотреть некоторое
    • Пароконтактные нагреватели (Часть III)

      Пароконтактные нагреватели (Часть III)
      27-10-2012
      Типа «молоко в пар».Пароконтактный нагреватель представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру, рассчитанную на определенное давление пара в зависимости от
    • Пароконтактные нагреватели (Часть II)

      Пароконтактные нагреватели (Часть II)
      25-10-2012
      Расчет диаметра отверстия дроссельной шайбы d2, при котором на участке нагревания L устанавливается давление P2, выполняется при следующих упрощениях и условиях:
    • Нагреватели поверхностного типа (Часть I)

      Нагреватели поверхностного типа (Часть I)
      24-10-2012
      Пластинчатые. Пластинчатый нагреватель — одна из секций теплообменного аппарата, который является главной составной частью стерилизационной установки. Действие высоких
    • Нагреватели установок для стерилизации молока

      Нагреватели установок для стерилизации молока
      24-10-2012
      Нагреватели стерилизационных установок как поверхностного типа, так и пароконтактные обеспечивают задаваемые температурные режимы стерилизации. Для получения