АППАРАТ ТЕПЛООБМЕННЫЙ

Полезная модель относится к техническим устройствам для тепловой обработки сырья растительного или животного происхождения и может быть использована в пищевой промышленности при производстве муки или жиров из сырья водного происхождения, например рыб, в консервной, мясоперерабатывающей промышленности, а также при переработке овощей и фруктов, в химической промышленности и других отраслях техники, где требуется нагреть или охладить продукт.
Известен теплообменный аппарат для термообработки вязких продуктов и сырьевой массы, содержащий цилиндрический корпус с рубашкой обогрева и установленный в нем ротор с винтообразными элементами на его внешней поверхности, узел подвода обрабатываемого сырья в пространство между корпусом и ротором, узел отвода готовой продукции и электропривод ротора, при этом каждый винтообразный элемент ротора образован внешней и параллельными передней и тыльной поверхностями, а внешняя и передняя поверхность расположены под острым углом друг к другу, образуя режущую кромку для разрушения пристенного слоя (нагара), образующегося в процессе эксплуатации аппарата (Авторское свидетельство №1805570, СССР, кл. В01D 1/100, C11В 1/06, 1989 г.)
Однако данный аппарат имеет ряд существенных недостатков эксплуатационного и конструктивного характера, В частности, он функционирует только в одном режиме с постоянной скоростью вращения ротора, а винтообразные элементы ротора имеют постоянный шаг по всей его длине, при этом сам ротор имеет цельнометаллическую конструкцию, в которой его цилиндр и винтообразные элементы изготовлены из одной монолитной заготовки.
Если обрабатываемый продукт в таком аппарате начинает пригорать на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, то увеличение скорости перемещения продукта с целью предотвращения его пригорания не представляется возможным. Снижение же для этих целей температуры в рубашке, где циркулирует теплоноситель, займет достаточно много времени, а резкое снижение температуры вообще может вывести аппарат из строя. Если возникнет необходимость обработки другого вида сырья, значительно отличающегося по своим характеристикам от ранее обрабатываемого, то скорость вращения ротора необходимо будет изменять в ту или иную сторону, что потребует дополнительную реконструкцию приводной системы ротора.
Кроме того, для дальнейшей транспортировки выходящего из аппарата обработанного продукта к месту его подачи необходим дополнительный нагнетательный насос, присоединенный к узлу отвода продукта, так как величина напора, создаваемого вращающимся ротором с постоянным шагом винтообразных элементов не достаточна. Кроме этого, так как кольцевой
зазор между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и режущей кромкой винтообразных элементов ротора в таком аппарате составляет 0,0145÷0,0146 внутреннего диаметра корпуса, а это соответствует величине равной 1,15÷1,20 мм, возникает частичный обратный перепуск транспортируемого в цилиндрической полости продукта и, как следствие, - падение давления нагнетания и уменьшение производительности аппарата, при этом создаются дополнительные предпосылки для образования пригара на внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Изготовление цельнометаллического ротора с винтообразными перемешивающими элементами, имеющими достаточно сложную геометрическую конфигурацию, технологически является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом. В случае же значительного износа или нарушения заостренных винтообразных элементов ротора, замене подлежит весь ротор целиком.
Наиболее близким по совокупности признаков, технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является теплообменный аппарат для термообработки сырья растительного и животного происхождения, содержащий цилиндрический корпус с рубашкой обогрева и установленный в нем ротор с винтообразными элементами на его внешней поверхности, узел подвода обрабатываемого сырья в пространство между корпусом и ротором, узел отвода готовой продукции и электропривод ротора (Свидетельство на полезную модель №24947, RU, U1, кл. 7В01D 1/00, C11В 1/06. Бюл. №25, 2002 г.).
Однако данный аппарат имеет ряд существенных недостатков эксплуатационного и конструктивного характера. К ним относятся: низкая производительность при относительно большом удельном расходе теплового агента и электроэнергии, пониженные качественные характеристики получаемого продукта, ограниченные эксплуатационные и технологические возможности, высокая себестоимость аппарата и большая металлоемкость.
Низкая производительность (200 кг/час) обусловлена тем обстоятельством, что материал, поступая в рабочую полость узла для подвода сырья в пространство между корпусом и ротором, не в полной мере захватывается винтообразными элементами ротора. Происходит это потому, что во-первых высота гребней составляет всего 10-12 мм, а следовательно активная площадь захвата материала слишком мала, а во-вторых, в рабочей полости узла для подвода сырья отсутствует устройство (активатор), которое бы рыхлило сырье и дополнительно формировало вдоль корпуса аппарата горизонтальный поток (подпор) обрабатываемого материала. Обрабатываемый материал, который перемещается вдоль цилиндрического корпуса к узлу отвода готовой продукции одновременно и перемешивается, однако интенсивность перемешивания незначительна, так как в конструкции винтообразных элементов ротора отсутствуют какие-либо узлы, позволяющие интенсифицировать процесс перемешивания. Это, в свою очередь, создает дополнительные предпосылки для образования пригара и пограничного пристенного слоя на внутренней поверхности
цилиндрического корпуса, вызывая ухудшения условий теплообмена между стенкой рубашки обогрева и обрабатываемым материалом, что значительно увеличивает удельный расход теплового агента и снижает качественные показатели продукта.
Относительно большая себестоимость аппарата обусловлена тем, что наиболее ответственная и металлоемкая его деталь - цилиндрический корпус, выполнен из цельнометаллической трубы, изготовленной из сортовой коррозионностойкой жаропрочной стали (12 Х 18 Н 10 Т, 20 Х 17 Н 2 и др.), имеющей относительно высокую стоимость по сравнению с другими сортаментами металлопроката. Наличие сложной приводной системы ротора, состоящей из электродвигателя, вариатора, промежуточной муфты и клиноременной передачи, так же увеличивает себестоимость аппарата и его металлоемкость, усложняет обслуживание электропривода.
В процессе эксплуатации аппарата часто возникает необходимость произвести реверсирование ротора, то есть провернуть его в обратном направлении, например при очистке забившихся отверстий узла отвода готовой продукции. Однако, провести эту операцию таким электроприводом не представляется возможным, так как в нем отсутствует возможность реверса, поэтому проворачивание ротора приходится осуществлять вручную, путем вращения ведущего шкива клиноременной передачи.
При всех достоинствах прототипа - возможность регулировать посредством вариатора частоту вращения ротора, наличие переменного шага винтообразных элементов ротора, который уменьшается в сторону перемещения обрабатываемого продукта, сборно-разборная конструкция элементов ротора, сфера его применения достаточно узка, а вышеперечисленные недостатки ограничивают коэффициент использования данного аппарата.
Задача полезной модели - повышение производительности при минимальном удельном расходе теплового агента и электроэнергии, улучшение качественных характеристик производимого продукта, обеспечение оптимального режима технологического процесса, улучшение конструктивных характеристик, снижение металлоемкости и себестоимости аппарата.
Поставленная задача реализуется тем, что в известном теплообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с рубашкой обогрева и установленный в нем ротор с винтообразными элементами на его поверхности, узел подвода обрабатываемого сырья в пространство между корпусом и ротором, узел отвода готового продукта и электропривод ротора, в рабочей полости узла для подвода обрабатываемого сырья установлен лопастной активатор, смонтированный на приводном валу ротора, а гребни винтообразных элементов ротора имеют поперечные сквозные вырезы, расположенные равномерно друг от друга и размещенные в шахматном порядке относительно аналогичных вырезов каждого из последующих (параллельных) гребней винтообразных элементов, при этом ширина вырезов равна высоте гребней. Кроме того, его цилиндрический корпус
конструктивно выполнен составным в виде двух цилиндров, запрессованных один в другой, при этом внутренний цилиндр, изготовлен из сортовой коррозионностойкой жаропрочной стали, а наружный - их углеродистой конструкционной стали.
Электропривод ротора состоит из реверсивного мотор-редуктора с регулируемой частотой вращения, установленного соосно с приводным валом ротора.
Отличительный признак - наличие в рабочей полости узла для подвода обрабатываемого сырья лопастного активатора, смонтированного на приводном валу ротора, позволяет улучшить процесс подачи сырья из рабочей полости узла подвода сырья в пространство между корпусом и ротором как на начальной стадии подачи, так и далее вдоль корпуса. Вращаясь, лопастной активатор разрыхляет в зоне вращения спрессованную сырьевую массу, подаваемую через приемный патрубок в рабочую полость узла и одновременно под избыточным давлением, создаваемым лопастями, направляет эту массу вдоль оси ротора, активизируя тем самым процесс ее термообработки и продвижения к узлу отвода готового продукта, что позволяет увеличить производительность аппарата и снизить удельные энергозатраты.
Кроме того, наличие поперечных сквозных вырезов в гребнях винтообразных элементов ротора способствует частичному обратному перетоку (противоположно вращению ротора) некоторой части обрабатываемого сырья через эти прорези, осуществляемому в виде локальных струй. Это приводит к турбулизации потоков жидкой фазы сырья, что улучшает гидромеханические и тепловые условия его обработки, та как все поверхности частиц материала участвуют в процессе обработки, что так же способствует увеличению производительности аппарата и повышению качества производимого продукта. А то обстоятельство, что вырезы в гребнях винтообразных элементов размещены в шахматном порядке относительно аналогичных вырезов каждого из последующих гребней винтообразных элементов, усиливает эффект турбулизации потоков жидкой фазы за счет того, что перетоки сырья, осуществляемые в виде локальных струй, на своем пути встречают гребни параллельных винтообразных элементов и соударяясь с ними, дробятся на мелкие частицы, усиливая эффект турбулизации, а вместе с ним и степень измельчения продукта.
Биметаллическая конструкция цилиндрического корпуса, изготовленного составным в виде двух цилиндров, запрессованных один в другой каоксиально, из которых внутренний цилиндр выполнен из коррозионностойкой жаропрочной стали, а наружный - из «черного» металлопроката, позволяет в два-три раза сократить в нем использование дорогостоящей нержавеющей стали. Кроме того, такая «многослойная» конструкция цилиндрического корпуса позволяет значительно увеличить термическое сопротивление стенки корпуса, способствуя уменьшению отвода тепла из рабочего пространства, между корпусом и ротором, что в свою очередь, позволяет в значительной степени уменьшить удельный
расход теплового агента и увеличить коэффициент полезного действия аппарата. При этом, такая конструкция цилиндрического корпуса позволяет значительно уменьшить как его длину, так и длину всего теплообменного аппарата, что обеспечивает снижение его металлоемкости. После того, как наиболее нагруженный внутренний цилиндр выработает свой ресурс, он может быть заменен на новый или реконструирован, при этом наружный цилиндр остается пригодным для дальнейшей эксплуатации.
Применение в качестве электропривода ротора реверсивного мотор-редуктора с регулируемой частотой вращения, дает возможность плавно изменять скорость вращения ротора за счет изменения частоты вращения вала мотор-редуктора, которое осуществляется посредством электронного (теристорного) устройства, включенного в электросхему привода мотор-редуктора. Это позволяет в одном и том же аппарате обрабатывать сырье различного вида при оптимальных гидромеханических и тепловых режимах обработки, избегая при этом пригорания продукта на внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Возможность менять направление вращения приводного вала мотор-редуктора позволяет быстро и эффективно очистить отверстия узла отвода готовой продукции при их засорении, а также осуществить промывку и очистку аппарата после завершения работы. Отсутствие в приводной системе аппарата промежуточных звеньев в виде вариатора (с ручным управлением) и клиноременной передачей значительно снижает себестоимость аппарата и его металлоемкость, улучшает процесс обслуживания.
Заявленный аппарат теплообменный был реализован в конкретном варианте, изображенном на чертеже.
На фиг.1 схематично изображен аппарат теплообменный, общий вид, продольный разрез.
На фиг.2 изображен аппарат теплообменный, разрез А-А.
На фиг.3 изображен аппарат теплообменный, разрез Б-Б.
На фиг.4 изображена втулка ротора с винтообразными элементами аппарата теплообменного (в аксонометрии).
Аппарат теплообменный (далее - аппарат) содержит цилиндрический корпус, состоящий из двух цилиндров, запрессованных один в другой (посадка прессовая Н 8/и 8), при этом внутренний цилиндр 1 выполнен из трубы, изготовленной из сортовой коррозионностойкой жаропрочной стали, а наружный цилиндр 2 - из углеродистой конструкционной стали. Снаружи цилиндрического корпуса расположена рубашка обогрева 3, к которой присоединены технологический патрубок 4 для ввода теплового агента (пара) в рабочую полость 5 и технологический патрубок 6 для отвода конденсата из рабочей полости. Внутри цилиндра 1 корпуса смонтирован ротор, состоящий из приводного вала 7, установленного на конических роликоподшипниках 8, на который жестко насажены втулки 9, винтообразный элементы 10 которых имеют переменный шаг, уменьшающийся в сторону узла 11, предназначенного для отвода готовой продукции. Заостренные гребни винтообразных элементов 10 имеют
поперечные сквозные вырезы 12, равномерно расположенные друг от друга на определенном расстоянии, при этом относительно аналогичных вырезов каждого из последующих винтообразных элементов, они располагаются в шахматном порядке. Ширина вырезов равна высоте гребня их винтообразных элементов. Электропривод ротора состоит из мотор-редуктора 13 (N=1,1 кВт, n=950-1600 об/мин), приводной вал которого посредством присоединительной втулки 14 соединен с приводным валом 7 ротора. Электрическая цепь управления мотор-редуктором 13 (на чертеже не показана) включает в себя электронное устройство (теристорный частотный регулятор), позволяющее изменять частоту вращения приводного вала мотор-редуктора в большую или меньшую сторону, а также переключатель, позволяющий менять направление вращения приводного вала 7 ротора. Со стороны приводного устройства ротора смонтирован узел подвода обрабатываемого сырья, состоящий из приемной камеры 15 с загрузочным патрубком 16, внутри которой размещен лопастной активатор 17, жестко закрепленный на приводном валу ротора. Рубашка обогрева 3 и ее технологические патрубки 4 и 6 снабжены термоизоляцией 18. Аппарат теплообменный работает следующим образом. Посредством патрубка 4 в рабочую полость рубашки обогрева 3 подается пар (t=130-150°С), который затем в виде конденсата отводится через патрубок 6 обратно в парогенератор. После предварительного прогрева аппарата до необходимой температуры включается мотор-редуктор 13 и посредством приводного вала 7 его ротор приводится во вращение с заданным числом оборотов в минуту. Обрабатываемое сырье посредством загрузочного патрубка 16 под избыточным давлением подается в рабочую полость приемной камеры 15 и подхватываемое винтообразными элементами 10 ротора перемещается вдоль камеры нагрева, представляющей собой кольцевой зазор между цилиндром 2 цилиндрического корпуса и рубашкой обогрева 3. В процессе перемещения обрабатываемое сырье одновременно перемешивается и нагретое до заданной температуры (t=110-130°С) отводится из камеры нагрева посредством отводного узла 11 в приемную емкость.
На начальной стадии транспортировки и термообработки сырьевая масса, (имеющая достаточно большую степень уплотнения), поступающая в рабочую полость приемной камеры 15, разрыхляется вращающимся лопастным активатором 17, что способствует более эффективному продвижению обрабатываемого сырья вдоль камеры нагрева. В процессе эксплуатации аппарата на внутренней поверхности цилиндрического корпуса образуются различные налеты, наслоения, накипь, пригоревший продукт и тому подобное и режущие кромки заостренных гребней винтообразных элементов 10, срезая пристенный слой налета, препятствуют образованию нагара. Во время вращения ротора, некоторая часть обрабатываемой массы через сквозные вырезы 12 в винтообразных элементах 10 под избыточным давлением (создаваемым вращающимся ротором), перетекает в обратном направлении в виде струй, создавая тем
самым локальные противопотоким в перемещаемой сырьевой массе, активизируя тем самым за счет турбулизации процесс термообработки сырья. Процесс турбулизации активизируется еще и за счет того, что сквозные вырезы 12 располагаются в шахматном порядке относительно аналогичных вырезов соседних винтообразных элементах 10. В результате этого выходящие локальные струи при своем движении встречают на своем пути препятствия в виде передних стенок элементов 10 и дробятся на мелкие частицы. Таким образом, теплообменный процесс осуществляется в «тонком слое» при минимальной толщине пограничного слоя и дополнительной турбулизации потока, что способствует значительной интенсификации термической обработки продукта и сокращению времени обработки.
Если в процессе эксплуатации аппарата происходит засорение узла отвода готовой продукции 11, производится переключение мотор-редуктора 13 и приводного вала 7 ротора на вращение в противоположную сторону, что способствует быстрой очистке засорившихся отверстий. После завершения работы рабочие полости аппарата промываются горячей водой, при это ротор проворачивается электроприводом в обе стороны.