АППАРАТ ТЕПЛООБМЕННЫЙ

Полезная модель относится к технологическим устройствам для тепловой обработки сырья и продуктов растительного и животного происхождения и может быть использована в пищевой промышленности, например, при теплообработке в непрерывном потоке пищевых продуктов, как-то молока, фруктовых и овощных соков, соусов, меда и других пищевых средств с целью обеспечения их длительной сохранности без снижения питательных и вкусовых веществ.
Известен аппарат теплообменный типа «АТ-400» конструкции Хабаровского производственного предприятия «Технологический центр», предназначенный для термообработки пищевых продуктов, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого соосно, один в другой установлены трубчатые элементы с образованием кольцевых полостей для циркуляции теплового агента и кольцевой полости для термообработки продукта, патрубки для подвода и отвода теплового агента и продукта из кольцевых полостей и спиралевидную вставку, установленную в кольцевой полости для термообработки продукта (Аппарат теплообменный. Листок технической информации №12-80, серия 68.29.15, рис.1, общий вид аппарата, Хабаровский ЦНТИ, г.Хабаровск, 1980 г.).
Характеризуя указанный тип теплообменного аппарата, следует отметить несовершенство его конструкции, малую производительность (400 кг/час), большие удельные энергозатраты, пониженные качественные характеристики продукта. В частности, спиралевидная вставка при диаметре прутка 8 мм имеет относительно большой шаг навивки (80 мм), что снижает интенсивность теплообмена между тепловым агентом (паром) и обрабатываемым продуктом. При этом теплообмен осуществляется в достаточно большом объеме при малой турбулентности потока, а это способствует образованию пригара на трубчатых элементах, что понижает качество продукта и требует частой разборки аппарата для проведения очистки поверхности от пригара. Аппарат предназначен в основном для пастерилизации молока и овощных соков.
Наиболее близким по совокупности признаков, технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является аппарат теплообменный конструкции Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого соосно, один в другой установлены трубчатые элементы с образованием кольцевых полостей для циркуляции теплового агента и кольцевой полости для термообработки продукта, патрубки для подвода и отвода теплового агента и продукта из кольцевых полостей и спиралевидную вставку, установленную в кольцевой полости для термообработки продукта (Свидетельство на полезную модель №22233, U1, RU, Кл. 7 F28D 7/10. Бюл. №7 от 10.03.2002 г., Дальрыбвтуз, г.Владивосток, 2002 г.).
Однако, данный аппарат имеет ряд существенных недостатков конструктивного и эксплуатационного характера. К ним относятся: низкая производительность (1200 кг/час) при относительно большом удельном расходе пара (120 кг/час), пониженные качественные характеристики обрабатываемого продукта, ограниченные. эксплуатационные и технологические возможности, значительная доля ручного труда при обслуживании.
Низкая производительность обусловлена в основном низкой интенсивностью теплообмена, поскольку в аппарате предусмотрен большой зазор в кольцевых полостях (8÷40 мм). Термообработка в большом объеме наряду, с образованием нагрева и пограничного пристенного слоя (пригара), вызывает ухудшение условий теплообмена между стенкой паровой рубашки и продуктом. Кроме того, в кольцевых полостях, в которых циркулирует тепловой агент, практически отсутствует его турбулизация, так как происходит прямоточное истечение теплового агента вдоль полостей, что так же способствует низкой интенсивности теплообмена.
Трубчатые элементы аппарата соединены друг с другом посредством фланцевых соединений, а уплотнение центрального трубчатого элемента, по которому циркулирует тепловой агент, осуществляется при помощи грунтбуксы. Для того, чтобы произвести профилактический осмотр или ремонт аппарата, необходимо разобрать все фланцевые соединения и грунтбуксу, после чего извлекается центральный трубчатый элемент. Операции по разборке и сборке аппарата требуют значительной доли ручного труда и больших затрат рабочего времени.
В конечном счете, вышеперечисленные недостатки прототипа отрицательно сказываются на производительности аппарата, ухудшают качественные показатели продукта, увеличивают его себестоимость, повышают долю ручного труда при обслуживании, значительно сокращают коэффициент использования оборудования.
Задача полезной модели - усовершенствование конструкции аппарата, повышение производительности, улучшение качественных характеристик продукта, снижение удельных энергозатрат, обеспечение оптимального режима технологического процесса, сокращение доли ручного труда.
Поставленная задача реализуется тем, что в известном теплообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус, внутри которого соосно, один в другой установлены трубчатые элементы с образованием кольцевых полостей для циркуляции теплового агента и кольцевой полости для термообработки продукта, патрубки для подвода и отвода теплового агента и продукта из кольцевой полости и спиралевидную вставку, установленную в кольцевой полости для термообработки продукта, в кольцевых полостях для циркуляции теплового агента установлены спиралевидные вставки, а внутри центрального трубчатого элемента соосно установлена проточная труба для подачи теплового агента в центральный трубчатый элемент, при этом, трубчатые элементы соединены друг с другом посредством быстроразъемных резьбовых муфт. Кроме того, установлена величина зазора между внутренней и внешней поверхностью трубчатых элементов, образующих кольцевую полость для термообработки продукта, которая составляет 0,045÷0,060 внутреннего диаметра внешнего трубчатого элемента.
Отличительный признак - наличие в кольцевых полостях для циркуляции теплового агента спиралевидных вставок, выполненных из круглого металлического прутка, позволяет сформировать в этих полостях устойчивый поток теплового агента по спирали. Этому способствует и то, что ввод теплового агента осуществляется по касательной к внутренней поверхности трубчатых элементов, образующих кольцевые полости. В результате этого, путь движения теплового агента удлиняется, интенсифицируя, таким образом, процесс термообработки продукта и увеличивая производительность аппарата.
Проточная труба, установленная соосно внутри центрального трубчатого элемента и предназначенная для подачи теплового агента в этот трубчатый элемент, позволяет организовать дополнительную кольцевую полость (со спиралевидной вставкой) для циркуляции теплового агента, подача которого осуществляется с конца трубы в зоне входа продукта в аппарат. Такое конструктивное решение, как было выявлено, повышает интенсивность теплообмена между обрабатываемым продуктом и тепловым агентом, сокращая время обработки и удельные энергозатраты. Сокращению энергозатрат способствует и то обстоятельство, что при необходимости патрубок для отвода отработанного теплового агента из внешней кольцевой полости, может быть соединен с патрубком для подвода теплового агента к внутренней кольцевой полости, что позволяет повторно использовать отработанный тепловой агент (пар или конденсат) с несколько пониженной температурой.
Оптимальная величина зазора между внутренней и внешней поверхностями трубчатых элементов, образующих кольцевую полость для термообработки продукта, как было установлено, должна составлять 0,045÷0,060 внутреннего диаметра внешнего трубчатого элемента.. Кольцевая полость с таким зазором позволяет организовать внутри ее щелевое течение потока обрабатываемого продукта, при этом улучшается его турбулизация, а, следовательно, повышаются и его качественные характеристики.
То обстоятельство, что трубчатые элементы аппарата соединены друг с другом посредством быстроразъемных резьбовых муфт, позволяет, в случае профилактического осмотра или при проведении ремонтных работ, без особого труда с минимальными затратами рабочего времени разобрать и собрать все элементы аппарата.
Заявленный аппарат теплообменный был реализован в конкретном варианте, изображенном на чертежах (фиг.1 и фиг.2).
На фиг.1 схематично изображен аппарат теплообменный, общий вид, продольный разрез.
На фиг.2 изображен то же аппарат, вид сверху.
Аппарат теплообменный (далее - аппарат) содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого соосно установлены трубчатые элементы 2, 3 и проточная труба 4, с образованием кольцевых полостей 5 и 6, предназначенными для циркуляции теплового агента, а также кольцевой полости 7, предназначенной для термообработки продукта. В кольцевых полостях 5, 6 и 7 установлены спиралевидные вставки 8, 9 и 10, соответственно, выполненные из круглого металлического прутка, закрепленные на внешних поверхностях трубчатых элементов 2, 3 и проточной трубы 4. Корпус 1 имеет патрубки 11 и 12 для подвода и отвода теплового агента соответственно, а также кольцевые ребра жесткости 13, закрепленные на его внешней поверхности. Трубчатый элемент 3 имеет патрубок 14 для отвода теплового агента, а также сферическую заглушку 15, приваренную к его цилиндрической части, а проточная труба 4 имеет патрубок 16 для подвода теплового агента в кольцевую полость 6. К трубчатому элементу 2 с торца приварена заглушка 17, на которой закреплен патрубок 18 для подвода продуктов в кольцевую полость 7, а с противоположной стороны закреплен патрубок 19 для отвода готового продукта. На трубчатых элементах 2 и 3, а также на трубе 4 закреплены Г-образные шайбы 20, 21 и 22 соответственно, с резьбой по внешнему ободку. Соединение корпуса 1, трубчатых элементов 2 и 3, а так же трубы 4 осуществляется посредством быстроразъемных резьбовых муфт 23, 24 и 25, которые навинчиваются на соответствующие Г-образные шайбы. Соединения корпуса 1 и трубчатого элемента 2 с противоположной стороны осуществляется быстроразъемной резьбовой муфтой 26. Все муфтовые соединения снабжены уплотнительными прокладками 27 соответствующего диаметра, что позволяет герметично изолировать все кольцевые полости друг от друга.
Аппарат теплообменный работает следующим образом.
Посредством патрубка 11 корпуса 1 в кольцевую полость 5 и посредством патрубка 16 трубы 4 в кольцевую полость 6 подается тепловой агент (пар), который затем в виде конденсата через патрубки 12 и 14 отводится обратно в парогенератор. По второму варианту (в зависимости от вида обрабатываемого продукта или технологического регламента), тепловой агент подводится только к патрубку 11 и отводится в виде конденсата из патрубка 16. В этом случае патрубки 12 и 14 соединяются друг с другом трубопроводом (на чертеже не показан), что позволяет повторно использовать отработанный в кольцевой полости 5 тепловой агент (пар или конденсат) и направить его в полость 6. После предварительного нагрева аппарата до необходимой температуры, в кольцевую полость 7 посредством патрубка 18 под определенным давлением подается продукт, который, омывая вставку 10 и поверхности трубчатых элементов 2 и 3 нагревается до необходимой температуры и перемещается по спирали к патрубку 19 и далее по материальному трубопроводу направляется к месту расфасовки.
Теплообмен между поверхностями трубчатых элементов и омывающего их продукта осуществляется в тонком слое при активной турбулизации продукта, эффективность теплоотдачи при этом резко возрастает, а время термообработки сокращается, что предотвращает образование пристеночного слоя продукта (пригара). Регулируя температурный режим в кольцевых полостях, в которых циркулирует тепловой агент, можно при необходимости обрабатывать на одном и том же теплообменном аппарате разнообразные виды продуктов, имеющие различные технические характеристики.