Подогреватели и их расчет

Дробленые томаты, томатную пасту, фруктовый сок подогревают в поверхностных теплообменниках. Подогрев таких продуктов необходим для облегчения отделения кожицы, прекращения жизнедеятельности микроорганизмов перед фасовкой в тару, коагуляции белковых веществ и интенсификации последующего процесса.

Вследствие того что пищевые продукты обладают большой вязкостью, наибольшими термическими сопротивлениями при подогреве обычно являются сопротивления от стенки к продукту и термическое сопротивление слоя нагара. Чтобы уменьшить эти термические сопротивления в подогревателях, стремятся увеличить скорость движения продукта, установить интенсивное перемешивание, принять меры, предотвращающие образование нагара.

Двухстенный котел состоит из двух полостей: открытой, в которой помещают продукт, подвергающийся нагреванию, и герметически закрытой — паровой камеры. Поверхность нагрева — это часть паровой камеры, соприкасающаяся с продуктом. Наружная поверхность камеры не участвует в полезном теплообмене, однако она имеет высокую температуру, поэтому для снижения потерь теплоты в окружающую среду наружную поверхность камеры покрывают изоляционным материалом.

Подвод пара в паровую камеру и отвод из нее конденсата в опрокидывающихся, а иногда и в стационарных котлах производят через полые патрубки, на которых закреплена чаша. Патрубки соединены с трубопроводами при помощи сальниковых уплотнений. Для отвода конденсата внутри паровой камеры установлена изогнутая трубка, один конец ее соединен с опорным патрубком, а другой находится в нижней части паровой камеры. Там же имеется продувочный кран для отвода скапливающегося воздуха и остатков конденсата. Во избежание разбрызгивания продукта при кипении на чаше установлен козырек.

Двухстенные котлы (табл. 1) рассчитаны на давление пара 0,4...0,6 МПа. Коэффициенты теплопередачи в двухстенном котле вместимостью 350 л при подогреве без перемешивания составляют [Вт/(м2-К)]: для бульона 700...870, заливки 580...810, рассола 907. При перемешивании коэффициент теплопередачи увеличивается примерно на 50%.

На аппарате должны быть установлены предохранительный клапан и манометр, по показаниям которого при помощи вентиля регулируют давление пара.

Двухстенные котлы, изготовленные из красной меди или из ее сплавов, покрывают в местах соприкосновения с продуктом защитной пленкой (эмалью). Высокими качествами обладают двухстенные котлы из нержавеющей стали, в них часто устанавливают мешалки якорного типа.

Недостатки двухстенных котлов:

при толщине стенки до 10 мм давление пара в котле должно быть более 0,3...0,6 МПа в зависимости от диаметра котла;

неравномерная интенсивность теплообмена на поверхности нагрева: наибольшая в верхней части котла и крайне низкая в нижней части (днище), где толщина пленки конденсата максимальная; интенсивность теплообмена особенно велика в местах входа пара в нагревательную камеру, так как здесь скорость пара максимальная;

недостаточная интенсивность теплообмена, на которую значительно влияют диаметр котла, давление греющего пара, способы подвода пара и отвода конденсата, форма котла, степень отвода воздуха из паровой камеры.

Подогреватель ВНИИКОП-2 может быть использован также в качестве вакуум-аппарата, сборника, дозатора, вакуум- охладителя и смесителя. Устанавливают его в линиях производства томатного пюре и томатной пасты, детских консервов, томатных соусов, джема и повидла. Все части подогревателя, соприкасающиеся с продуктами, изготовлены из нержавеющей стали.

В нижней части корпуса 4 подогревателя (рис. 1) размещена двухстенная паровая камера 7, в верхней части — цилиндрический корпус с конусной крышкой. Внутри подогревателя устроена якорная мешалка 6, приводимая в движение электродвигателем 1 через редуктор. Подогреватель имеет два штуцера 5 для подвода пара, штуцер для вывода конденсата, загрузочные штуцера 3, отверстие 8 для выгрузки продукта, ловушку 2, осветительное стекло, штуцера: для удаления пара (или создания вакуума), для сжатого воздуха, а также мановакуумметр, термометр, предохранительный клапан.

Рабочая вместимость аппарата, при которой поверхность нагрева полностью покрыта продуктом, составляет 750...1000 л. В двух стенную нагревательную камеру с поверхностью нагрева 3,7 м2 подводится пар под давлением до 0,4 МПа.
В аппарате ВНИИКОП-2 при подогревании томатного пюре, перемешивании его якорной мешалкой с частотой вращения 40 мин-1 и давлении греющего пара 0,3 МПа коэффициент теплопередачи 990 Вт/(м2-К); при подогревании томатной пасты и том же режиме обработки — 930 Вт/(м²-К). Габаритные размеры аппарата 1875x1510x4040 мм.

Подогреватель КПЖ со спиральным вращающимся змеевиком для дробленой массы представляет собой внутренний цилиндр 1 (рис. 2) из нержавеющей стали, расположенный в стальном кожухе 2, диаметр которого на 200 мм больше диаметра цилиндра. С торцевых сторон цилиндр 1 и кожух 2 соединены и закрыты крышками 5; через них проходит полый вал 3; к нему прикреплен спиральный змеевик 4 из нержавеющей стали, предназначенный для перемешивания томатной массы и являющийся одновременно частью поверхности нагрева. Вал со змеевиком вращается с частотой 6,7 мин-1.

Площадь поверхности нагрева аппарата 5,9 м2; она складывается из цилиндрической поверхности двухстенной паровой рубашки (60%), поверхностей спирального змеевика (26%) и полого вала (14%). Дробленая томатная масса непрерывно и равномерно подается ротационным или центробежным насосом в аппарат через штуцер. Масса медленно (со скоростью около 0,01 м/с) проходит через внутренний цилиндр 1, перемешиваясь по всей длине аппарата, и, нагревшись до 70...80° С, выходит через разгрузочный штуцер.

Рис. 1. Подогреватель ВНИИКОП-2

Греющий пар давлением 0,13...0,15 МПа подводится к полому валу с одного его конца, проходит через полость и спиральный змеевик и через другой конец поступает в паровую рубашку аппарата.

Рис. 2. Подогреватель КПЖ Скапливающийся конденсат из рубашки удаляется конденсатоотводчиком.

Производительность аппарата 7000 кг/ч (1,85 кг/с); коэффициент теплопередачи 930... 1200 Вт/(м²-К); мощность электродвигателя 1 кВт; габаритные размеры 3360x1000x1200 мм; масса 470 кг.

Кожухотрубные подогреватели предназначены для нагревания дробленой томатной массы, томатной пасты, томатной пульпы, фруктового пюре, фруктовых и овощных соков. Кожухотрубный подогреватель (рис. 3) состоит из двух трубных решеток 1, в которые ввальцованы 60 трубок 2 диаметром 34/32 мм и длиной 1986 мм. Общая площадь поверхности нагрева аппарата около 13 м². Трубные решетки с трубками заключены в металлический кожух 3 цилиндрической формы и с торцевых сторон закрыты крышками 4. Последние прикреплены к кожуху при помощи откидных болтов; герметичность соединения обеспечивает уплотняющая прокладка. Между крышкой и трубной решеткой имеются перегородки 5, образующие камеры, которые объединяют один или два пучка трубок. Таким образом, пучки трубок по 16 в каждом последовательно соединены между собой.

Пар подается в пространство между кожухом и трубками и омывает их снаружи. Конденсат отводится через патрубок 6 в нижней части кожуха. Давление пара поддерживается 0,11. ..0,15 МПа. При

подогреве томатной пасты давление пара не должно превышать 0,11...0,12 МПа.

При передаче теплоты от пара через стенку томатной пасте термическое сопротивление от стенки к пасте является наибольшим. Следовательно, на коэффициент теплопередачи не оказывают заметного влияния условия со стороны конденсации пара, а также свойства самой стенки; этот коэффициент будет зависеть главным образом от условий теплопередачи от стенки к пасте.

Трубчатый вакуум-подогреватель КПТ-2 предназначен для нагревания дробленых томатов и различных фруктовых и овощных соков; представляет собой трубчатый многоходовой теплообменник, имеющий двенадцать последовательно соединенных труб из нержавеющей стали диаметром 50 мм и длиной 2925 мм, заключенных в стальной кожух 6 цилиндрической формы (рис. 4). С торцевых сторон подогревателя установлены крышки.

Рис. 3. Кожухотрубный подогреватель

Рис. 4. Вакуум-подогреватель КПТ-2

Задняя крышка 7 имеет шесть впадин для соединения попарно близлежащих трубок, передняя 2 — пять впадин и два патрубка, из которых нижний 10 служит для входа продукта, а верхний 1 — для выхода его из нагревательных трубок.

Магистральный пар давлением 0,2 МПа редуцируется в вакуум- редукционном клапане 5 до давления 80...90 кПа, что соответствует температуре 93...96° С, после чего поступает в межтрубное пространство через верхнюю часть 4 кожуха 6. Конденсат отводится из подогревателя через конденсатоотводчик с закрытым поплавком в вакуум-сборник 3. Из него конденсат и скопившийся там воздух удаляются водяным эжектором, создающим некоторое разрежение и в вакуум-сборнике. Вода в эжектор подается пропеллерным насосом 8 из бака 9. Продукт при помощи пропеллерного насоса последовательно проходит через все трубки подогревателя, нагреваясь до 80...90° С.

Терморегулятор автоматически поддерживает заданную температуру продукта на выходе, изменяя давление пара в греющей камере. Производительность теплообменника 0,5 л/с, площадь поверхности нагрева 4 м2; скорость движения продукта по трубам теплообменника 2,8...3,5 м/с; мощность электродвигателя насоса 1 кВт; габаритные размеры 3295x850x2050 мм; масса 600 кг. Коэффициент теплопередачи при подогреве сока 90... 1200 Вт/(м²-К).

Двухтрубный подогреватель применяют для нагревания фруктового и томатного пюре и соков. Аппарат (рис. 5) состоит из 8... 12 секций, в каждой из них имеется труба из нержавеющей стали диаметром 32...70 мм и длиной 2,0...2,5 м, которая размещена в стальной трубе диаметром 60... 100 мм.

Рис. 5. Двухтрубный подогреватель

Кольцевой зазор между трубами заполнен паром. Концы внутренних труб каждой секции соединены между собой патрубками, согнутыми под углом 180°. Уплотнение достигается прокладками.

Масса подается насосом в аппарат по трубе 1 и выходит после нагрева через трубу 7. Пар давлением до 0,3 МПа поступает через патрубок 6, попадает в межтрубное пространство и движется в нем справа налево. В конце первой секции установлен вертикальный патрубок 3, соединяющий межтрубные пространства двух секций. Конденсат из нижней секции выходит через патрубок 2. Для устойчивости и прочности конструкций предназначены опорные прокладки 4. Воздух, скапливающийся в межтрубном (паровом) пространстве, выпускается через продувной кран 5.

Благодаря небольшому поперечному сечению трубы в таких подогревателях продукт может перемещаться с большой скоростью, что предотвращает образование нагара.

Коэффициент теплопередачи при подогреве фруктового пюре 570 Вт/(м²-К).

Теплообменный аппарат А9-КБДУЗ предназначен для нагревания и охлаждения томатной пасты и плодовых полуфабрикатов. Аппарат состоит из двух теплообменников, рамы, коммуникаций пара, продуктопровода и щита управления.

Теплообменник работает по принципу механической турбуляции потока, имеет корпус и вращающийся барабан с ножами. Кольцевой зазор в корпусе служит для прохода тепло- и хладагентов. Внутри корпуса с зазором расположен барабан с ножами, которые при его вращении снимают пристенные слои продукта и перемешивают их с потоком, обусловливая тем самым высокий коэффициент теплопередачи и равномерность прогрева всего объема продукта. Вращается барабан от электродвигателя через клиноременную передачу.

Техническая характеристика теплообменного аппарата А9- КБДУЗ: производительность по томатной пасте при нагревании не менее 5 т/ч, при охлаждении не менее 2,5 т/ч; площадь поверхности нагрева 3,92 м2; температура продукта на входе в аппарат при нагревании 45...50°С, при охлаждении 125...130°С; температура продукта на выходе из аппарата при нагревании 125...130°С, при охлаждении 35.. .40°С. Температура охлаждающей среды не более 20°С; давление греющего пара 0,4 МПа; расход охлаждающей воды не более 5 м3/ч, пара не более 1000 кг/ч, электроэнергии не более 7,5 кВт-ч; габаритные размеры 2500 х 1390 х 2260 мм; масса не более 1400 кг.

Расчет подогревателей проводят следующим образом.

Непрерывнодействующие подогреватели (например, трубчатые, двухтрубные) рассчитывают, принимая продолжительность подогрева т = 1 с.

Для подогревателей, работающих как при избыточном внутреннем, так и при избыточном наружном давлении, проводят проверочный расчет на прочность.