ТРУБЧАТОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ С ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
TUBULAR DEVICE FOR HEAT TREATMENT WITH IMPROVED EFFICIENCY OF ENERGY USE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится в целом к области теплопередачи, в частности к трубчатому устройству для термообработки, такому как трубчатый теплообменник или трубчатая камера удерживания, с повышенной эффективностью использования энергии.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время распространенным подходом в пищевой промышленности, а также в других отраслях является использование трубчатых теплообменников в целях термообработки.
В пищевой промышленности обычно используют трубчатый теплообменник, изготовленный из нержавеющей стали. Марка стали вставных труб и трубчатых кожухов, размещенных снаружи вставных труб, может быть выбрана в зависимости от продукта, подлежащего обработке.
Одним словом, в качестве примера продукт поступает в трубчатый теплообменник во вставных трубах при низкой температуре и нагревается посредством среды, проходящей в трубчатых кожухах снаружи вставных труб. Когда продукт достигает температуры пастеризации, он поступает в камеру, или включенную в теплообменник, или отдельную, то есть в трубу с длиной, отрегулированной для удерживания продукта при температуре пастеризации в течение определенного времени, рассчитанного для случая, соответствующего каждому продукту. После камеры удерживания продукт начинает охлаждаться; теперь среда проходит снаружи вставных труб в трубчатых кожухах. Вставные трубы, трубчатые кожухи и камеры удерживания предпочтительно расположены так, чтобы они могли обеспечивать обработку разных продуктов и в разных случаях.
Для уменьшения теплопередачи вставные трубы и трубчатые кожухи, используемые для нагрева продукта, могут быть сгруппированы вместе, и таким же образом вставные трубы и трубчатые кожухи, используемые для охлаждения продукта, могут быть сгруппированы вместе. При выполнении этого теплопередача между различными частями в трубчатом теплообменнике может быть уменьшена, и, следовательно, эффективность использования энергии может быть повышена.
Другой подход к уменьшению передачи энергии внутри трубчатого теплообменника состоит в изоляции трубчатых кожухов посредством использования, например, минеральной ваты или ячеистой резины. Поскольку огромное количество энергии используется для термообработки, например, на предприятии по производству пищевых продуктов, существует потребность в уменьшении данного количества для обеспечения возможности выполнения термообработки способом, более благоприятным для окружающей среды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, задачей настоящего изобретения предпочтительно является уменьшение или устранение одного или более из вышеуказанных недостатков в уровне техники и дефектов в отдельности или в любой комбинации и решение, по меньшей мере, вышеупомянутых проблем.
В соответствии с первым аспектом разработано трубчатое устройство для термообработки, содержащее множество труб, при этом трубы из указанного множества труб расположены в виде множества групп, при этом каждая из указанного множества групп выполнена с возможностью обработки продукта в заданном интервале температур, при этом, по меньшей мере, одна из указанного множества групп охвачена листом так, что передача тепла к или от указанной, по меньшей мере, одной из указанных групп уменьшается.
Следует понимать, что трубчатое устройство для термообработки охватывает трубчатое устройство для термообработки и трубчатую камеру удерживания, но не ограничено ими.
Лист может быть покрыт, по меньшей мере, с одной стороны силиконовым материалом.
Лист может быть выполнен из стекловолокна.
Первая концевая часть и вторая концевая часть указанного листа могут быть скреплены вместе.
Данная первая концевая часть и указанная вторая концевая часть могут быть размещены снизу.
Данная первая концевая часть или указанная вторая концевая часть может находиться в контакте с другим листом, охватывающим другую группу из указанного множества групп.
Другая группа при использовании может быть размещена под указанной группой.
Трубчатое устройство для термообработки может дополнительно содержать, по меньшей мере, один элемент, размещенный между указанной группой труб и указанным листом.
Данный, по меньшей мере, один элемент при использовании может быть размещен поверх указанной группы.
Данный, по меньшей мере, один элемент может быть размещен в угловой части указанной группы.
По меньшей мере, две из указанного количества групп, включающие в себя указанную, по меньшей мере, одну из указанного количества групп, могут быть охвачены, по меньшей мере частично, дополнительным листом.
Трубчатое устройство для термообработки может дополнительно содержать мат, заполненный изоляционным материалом, таким как минеральная вата, предусмотренный между одним из некоторого количества закрывающих элементов указанного трубчатого устройства для термообработки и указанными трубами.
Первая группа из указанного множества групп выполнена с возможностью обработки указанного продукта при первой температуре, и вторая группа из указанного множества групп выполнена с возможностью обработки указанного продукта при второй температуре, при этом указанная первая температура является более низкой, чем указанная вторая температура, при этом указанная первая группа при использовании размещена ниже указанной второй группы. Это означает, что следует понимать, что каждое множество групп может быть выполнено с возможностью обработки продукта по отдельности в заданном интервале температур. Таким образом, заданный интервал температур может быть одинаковым или разным для каждого количества групп.
Трубчатое устройство для термообработки может быть предназначено для обработки пищевых продуктов.
В соответствии со вторым аспектом разработана система, содержащая трубчатое устройство для термообработки в соответствии с первым аспектом.
В соответствии с третьим аспектом разработан лист, выполненный с возможностью по меньшей мере частичного охвата указанной, по меньшей мере, одной из указанного множества групп указанного трубчатого устройства для термообработки в соответствии с первым аспектом.
Лист может быть покрыт, по меньшей мере, с одной стороны силиконовым материалом.
Лист может быть выполнен из стекловолокна.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеприведенные, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты посредством нижеследующего иллюстративного и неограничивающего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1а и 1b иллюстрируют в целом пример трубчатого теплообменника.
Фиг. 2 иллюстрирует пример сечения трубчатого теплообменника.
Фиг. 3 иллюстрирует пример сечения другого трубчатого теплообменника.
Фиг. 4 иллюстрирует пример сечения трубчатого теплообменника с группами, которые охвачены листами.
Фиг. 5 иллюстрирует другой пример сечения трубчатого теплообменника с группами, которые охвачены листами.
Фиг. 6 иллюстрирует еще один пример сечения трубчатого теплообменника с группами, которые охвачены листами.
Фиг. 7 иллюстрирует пример листа с концевой частью, скрепленной вместе.
Фиг. 8 иллюстрирует пример группы труб, охваченной листом с концевыми частями, скрепленными вместе и расположенными снизу.
Фиг. 9а иллюстрирует группу труб, охваченную листом.
Фиг. 9b иллюстрирует группу труб, охваченную листом, с элементами, размещенными в угловых частях для увеличения количества воздуха, удерживаемого внутри листа.
Фиг. 9с иллюстрирует две группы труб, подобные проиллюстрированной на фиг.9b, с дополнительным листом, охватывающим данные две группы, и с элементами в угловых частях для увеличения количества воздуха, удерживаемого внутри дополнительного листа.
Фиг. 10 иллюстрирует пример сечения трубчатого теплообменника с группами труб, которые охвачены листами, и с элементом, размещенным поверх верхней группы для образования наклонных поверхностей на дополнительном листе, охватывающем некоторое количество групп.
Фиг. 11 иллюстрирует пример сечения трубчатого теплообменника с группами труб, которые охвачены листами, и с матом, наполненным изоляционным материалом, размещенным снаружи труб.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
тм
Фиг. 1а и 1b иллюстрируют пример трубчатого теплообменника 100, более точно, теплообменника Tetra Spiraflo, поставляемого на рынок компанией Tetra Pak. Как проиллюстрировано, множество труб соединено друг с другом посредством коленчатых труб 102, обеспечивающих компактную конструкцию. В проиллюстрированном примере вставные трубы 104 удерживаются в виде комплектов/пучков, и каждый комплект расположен в трубе большего размера, называемой трубчатым кожухом 106. Пищевой продукт подают по вставным трубам, и теплопередающую среду подают через кожух. Для поддержания малого потребления энергии предпочтительно использовать выходящий продукт или выходящую среду, который/которая подлежит охлаждению, в качестве теплопередающей среды. Подобные системы часто называют регенеративными системами.
С боковых сторон и с верхней стороны трубчатого теплообменника 100 могут быть размещены боковые закрывающие элементы 101а и верхние закрывающие элементы 101b. Во время обслуживания данные элементы могут быть сняты для обеспечения легкого доступа.
Фиг. 2 и 3 иллюстрируют в качестве примера сечения соответственно трубчатого теплообменника 200 и трубчатого теплообменника 300.
Как проиллюстрировано, каждый трубчатый теплообменник может быть спроектирован с разными размерами труб и кожухов, разной конфигурацией и разными габаритными размерами для удовлетворения потребностей, определяемых, например, компанией по производству пищевых продуктов. Для обеспечения эффективного производства трубчатые теплообменники могут быть созданы в виде модулей. В качестве примера трубчатый теплообменник 200, проиллюстрированный на фиг. 2, образован четырьмя модулями, размещенными в одном столбике, при этом его называют трубчатым теплообменником 4х1. Трубчатый теплообменник 300, проиллюстрированный на фиг. 3, имеет модули, размещенные в четырех столбиках с четырьмя модулями в каждом из столбиков, при этом его называют трубчатым теплообменником 4х4.
Фиг. 4 иллюстрирует в качестве примера трубчатый теплообменник 400, имеющий множество трубчатых кожухов, вставных труб (непроиллюстрированных) и труб, используемых в качестве камер удерживания, при этом в данном документе трубчатые кожухи и трубы, используемые в качестве камер удерживания, вместе названы трубами.
Для уменьшения передачи тепла от труб, используемых для нагрева или удерживания нагретого продукта, трубам, используемым для охлаждения продукта, могут быть использованы один или несколько листов.
Как проиллюстрировано, первая группа труб может быть охвачена первым листом 402, вторая группа труб может быть охвачена вторым листом 404, третья группа может быть охвачена третьим листом 406, четвертая группа может быть охвачена четвертым листом 408, пятая группа может быть охвачена пятым листом 410, шестая группа может быть охвачена шестым листом 412, и седьмая группа может быть охвачена седьмым листом 414.
Вследствие того, что горячий воздух является более легким, чем холодный воздух, и поэтому перемещается вверх, предпочтительно иметь группы труб, предназначенных для нагрева или удерживания нагретого продукта, размещенные над группами труб, используемых для охлаждения или удерживания охлажденного продукта. Таким образом, тепло, выделяющееся из групп, используемых для нагрева или удерживания нагретого продукта, не будет так же легко передаваться группам, используемым для охлаждения или удерживания охлажденного продукта.
Фиг. 5 иллюстрирует в качестве примера трубчатый теплообменник 500, предусмотренный с семью группами, которые охвачены семью разными листами аналогично трубчатому теплообменнику 400, проиллюстрированному на фиг. 4. В частности, первая группа труб может быть охвачена первым листом 502, вторая группа труб может быть охвачена вторым листом 504, третья группа может быть охвачена третьим листом 506, четвертая группа может быть охвачена четвертым листом 508, пятая группа может быть охвачена пятым листом 510, шестая группа может быть охвачена шестым листом 512, и седьмая группа может быть охвачена седьмым листом 514.
В этом примере для дополнительного предотвращения передачи тепла между группами труб с разными температурами могут быть использованы два дополнительных листа, а именно восьмой лист 516 и девятый лист 518.
В проиллюстрированном примере восьмой лист 516 охватывает первую группу, охваченную первым листом 502, вторую группу, охваченную вторым листом 504, и третью группу, охваченную третьим листом 506. Девятый лист 518 охватывает пятую группу, охваченную пятым листом 510, шестую группу, охваченную шестым листом 512, и седьмую группу, охваченную седьмым листом 514.
Фиг. 6 иллюстрирует трубчатый теплообменник 600, аналогичный теплообменникам 400, 500, проиллюстрированным на фиг. 4 и фиг. 5, но с другим набором групп труб. В частности, первая группа разделена на две разные группы 602а, 602b. То, каким образом сгруппировать трубы для получения трубчатого теплообменника, обеспечивающего эффективное использование энергии, может быть определено, например, посредством использования средств имитационного моделирования.
За счет уменьшения теплопередачи между разными группами внутри трубчатых теплообменников, а также теплопередачи между разными группами и окружающей средой может быть обеспечен ряд преимуществ, например:
ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ
Вследствие того, что листы обеспечивают уменьшение передачи тепла между трубами, используемыми для нагрева и удерживания нагретого продукта, и трубами, используемыми для охлаждения, требуется меньше энергии для нагрева, а также для охлаждения. Кроме того, помимо уменьшения передачи тепла между различными группами будет увеличена рекуперация тепла внутри труб, предназначенных для нагрева и удерживания нагретого продукта. Другими словами, избыточное тепло, выделяющееся из одной трубы из труб, может быть использовано для нагрева другой трубы из труб с немного меньшей температурой. Таким образом, требуется меньше теплоносителя. Аналогичным образом, будет улучшена рекуперация холода в трубах, предназначенных для охлаждения. Таким образом, требуется меньше холодоносителя.
УМЕНЬШЕНИЕ ПАДЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В КАМЕРАХ УДЕРЖИВАНИЯ
За счет использования листов, подобных вышеописанным, падение температуры в камерах удерживания может быть уменьшено. Эффект от этого заключается в том, что температура продукта при входе в камеру удерживания может быть снижена. Поскольку высокие температуры продуктов влияют на качество продуктов, это может привести к повышенному качеству продуктов.
УМЕНЬШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАКРЫВАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Поскольку использование листов, подобных описанным выше, приведет к меньшей передаче тепла в окружающую среду, это приведет к более холодной производственной среде, в результате чего уменьшаются затраты на охлаждение установки. Дополнительный эффект заключается в том, что закрывающие элементы трубчатого теплообменника будут более холодными, что приводит к более безопасной производственной среде. В частности, может быть уменьшен риск того, что производственный персонал будет иметь контакт с горячими поверхностями.
Преимуществами использования листов, подобных проиллюстрированным в качестве примера на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6, являются, например:
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Использование листов для охватывания групп труб во многих случаях является более экономически эффективным по сравнению с ранее используемыми техническими решениями, например, изоляцией труб по отдельности. Одна причина этого заключается в том, что для листов требуется меньше материала по сравнению, например, с матом, наполненным минеральной ватой.
НИЗКАЯ СТОИМОСТЬ СБОРКИ/МОНТАЖА
Поскольку листы являются более легкими, чем минеральная вата, производственному персоналу будет легче поднимать их. В настоящее время при использовании матов с минеральной ватой во многих случаях во время сборки/монтажа используется мостовой кран. Поскольку листы являются значительно более легкими, приблизительно в десять раз, отсутствует такая же потребность в мостовом кране.
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ
Листы могут быть выполнены из прочного материала, обеспечивающего отсутствие необходимости частой их замены в будущем, что является преимуществом при определении общей стоимости владения.
МАЛОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Поскольку требуется более легкий материал и меньше материала, воздействие трубчатого теплообменника в целом на окружающую среду будет уменьшено.
НИЗКИЕ ЗАТРАТЫ НА СКЛАДИРОВАНИЕ
Листы могут быть легко разрезаны на куски. Следовательно, существует возможность хранения листового материала в рулоне и отрезания его по кускам во время изготовления. Таким образом, число предметов может быть уменьшено, что обеспечивает более эффективное складирование.
ГИГИЕНИЧНОСТЬ
Листы могут быть выполнены из материала, не впитывающего жидкость, в результате чего обеспечивается то, что никакой продукт не проникнет в лист. Кроме того, при выборе подобного материала листы могут быть легко очищены и выполнены такими, что они будут стойкими к любым используемым чистящим средствам.
Как дополнительно описано ниже, дистанционирующий элемент может быть размещен на верхней части группы труб, которая охвачена листом, в результате чего образуется подобная крышеобразному верху, верхняя часть листа с наклонными поверхностями, обеспечивающая то, что жидкость не будет оставаться поверх листа.
КОРРОЗИЯ
Листы могут быть выполнены из материала, не вызывающего коррозию ни за счет самого материала, ни обусловленную тем, что жидкость остается в контакте с кожухами в течение более продолжительного времени.
ТЕМПЕРАТУРА
Листы могут быть выполнены из материала, выдерживающего температуры, составляющие 160°С или выше. Например, если будет выбран лист с силиконовым покрытием, он может выдерживать температуры до 250°С. В соответствии с настоящим изобретением лист с силиконовым покрытием представляет собой, таким образом, например, силикон, пригодный для использования в требуемом интервале температур. Примером его является покрытие из силоксанового каучука, такого как покрытие из огнезащитного и химически стойкого силоксанового каучука.
КОНТРОЛИРУЕМОСТЬ
Если листы не закреплены в трубах, листы могут быть сдвинуты в любую сторону, и, таким образом, может быть обеспечен доступ к трубам для оператора или инженера по эксплуатации.
Примером листового материала является материал Temtex™ 420/SG2, поставляемый компанией TEMATI. Может быть выбрана толщина, составляющая 0,45 мм. Материал может представлять собой водонепроницаемый, не содержащий хлоридов материал, который может выдерживать температуру 160°С, такой как тонкая ткань из стекловолокна, покрытая тонкими слоями силикона с каждой стороны.
Фиг. 7 иллюстрирует пример куска 700 листового материала с двумя концевыми частями, скрепленными вместе. Две концевые части могут быть скреплены скобами вместе или скреплены любым другим способом, таким как сварка, сшивание, склеивание или заклеивание лентой. Преимущество скрепления двух концевых частей вместе скобами заключается в том, что при наличии листа, охватывающего группу труб, любая жидкость будет просачиваться наружу между двумя концевыми частями при условии, что место соединения будет расположено внизу.
Фиг. 8 иллюстрирует в качестве примера сечение группы труб, охваченной листом, который скреплен скобами. Как описано выше, при размещении концевых частей внизу жидкость может проходить через место соединения и может быть видна оператору или инженеру по эксплуатации на следующем охватывающем материале или на полу.
Кроме того, преимущество того, что концевые части находятся в контакте с другим листом, состоит в том, что может быть уменьшен поток воздуха между группами труб.
Фиг. 9а иллюстрирует группу из четырех труб, охваченную листом.
Как проиллюстрировано на фиг. 9b, для обеспечения большего количества изолирующего воздуха в пространстве, образованном посредством листа, с тем, чтобы излучение от труб в окружающую среду можно было уменьшить, на трубах могут быть предусмотрены дистанционирующие элементы 900а, 900b, 900c, 900d.
Дополнительный эффект от дистанционирующих элементов 900а, 900b, 900c, 900d состоит в том, что меньшее пространство будет образовано между группой труб и непроиллюстрированными закрывающими элементами, что обеспечивает меньший поток воздуха между листами и закрывающими элементами.
В случае наличия дополнительного листа, охватывающего группу, вспомогательные дистанционирующие элементы 902а, 902b, 902c, 902d могут быть использованы для обеспечения большего количества изолирующего воздуха между группой труб и окружающей средой и для обеспечения меньшего воздушного потока между листами и закрывающими элементами.
Фиг. 10 иллюстрирует трубчатый теплообменник 1000, аналогичный трубчатым теплообменникам, проиллюстрированным на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6. Однако в отличие от трубчатых теплообменников, проиллюстрированных на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6, трубчатый теплообменник 1000 предусмотрен с элементом 1002, размещенным поверх самого верхнего листа, охватывающего первую группу труб. Эффект от элемента 1002 состоит в том, что наружный лист 1004, охватывающий первую группу труб, а также элемент 1002, будет иметь наклонные верхние поверхности, что обеспечивает то, что жидкости будет труднее оставаться на данных поверхностях, что является преимуществом, поскольку жидкость, скапливающаяся на данных поверхностях, влияет на эффективность трубчатого теплообменника.
Фиг. 11 иллюстрирует трубчатый теплообменник 1100, аналогичный трубчатым теплообменникам, проиллюстрированным на фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 9. Однако в отличие от данных трубчатых теплообменников трубчатый теплообменник 1100 предусмотрен с изоляционным матом 1102, расположенным снаружи охваченных групп труб.
Изоляционный мат 1102 может быть выполнен из минеральной ваты, покрытой силиконовыми листами. Преимущество наличия изоляционного мата 1102 состоит в том, что он может обеспечить уменьшение воздушного потока снаружи групп труб и закрывающих элементов и, таким образом, способствовать уменьшению температуры закрывающих элементов.
Как проиллюстрировано, изоляционный мат может быть размещен таким образом, что верхняя сторона и боковые стороны труб будут закрыты и нижняя сторона будет оставаться открытой. Преимущество этого заключается в том, что жидкость будет иметь беспрепятственный путь к полу, что облегчает ее обнаружение обслуживающим персоналом или операторами.
Различные признаки, проиллюстрированные на фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 8, фиг. 9 и фиг. 10, могут быть скомбинированы разными способами в зависимости от определенных условий для конкретной ситуации.
Как правило, в теплообменнике теплоноситель может быть использован для нагрева продукта и холодоноситель может быть использован для охлаждения продукта. Однако в камере удерживания задача состоит в удерживании продукта в течение определенного промежутка времени при определенной температуре, и, следовательно, теплоноситель и холодоноситель, как правило, не требуются. Следовательно, даже несмотря на то, что выше в качестве примеров были использованы трубчатые теплообменники, те же принципы могут быть использованы для трубчатых камер удерживания.
Изобретение было описано выше главным образом со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Однако, как без труда поймет специалист в данной области техники, варианты осуществления, отличные от вариантов осуществления, раскрытых выше, в равной степени возможны в пределах объема изобретения, определяемого приложенной формулой изобретения.