Зона теплообмена конической части емкостных аппаратов

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам непрерывного действия и может быть использована в химической, пищевой и других смежных с ними отраслях промышленности для охлаждения или подогрева находящихся в емкостных аппаратах жидких сред или протекающих в них процессов.
Широко известны различные емкостные аппараты биотехнологии, имеющие в качестве зоны теплообмена паровые рубашки. На пример заторные и сусловарочные котлы для приготовления пивного сусла. (В.И. Попов, И.Т. Кретов, «Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности, М., «Легкая и пищевая промышленность, 1983г., с. 276-279, рис. XV-5, XV-6, XV-7.)
Паровые рубашки имеют низкую эффективность теплообмена.
Известна зона теплообмена конической части емкостных аппаратов, представляющая собой смонтированную на конической части аппарата цельную коническую рубашку с креплением ее сваркой в местах пуклевок на аппарате и с организацией канала для потока среды при помощи металлического прутка, размещенного внутри рубашки. (Танк для хранения
дрожжей фирмы GEA Tuchenhaqen Gmbh, Германия - чертеж прилагается).
Описанная конструкция, благодаря организации потока среды в рубашке, позволяет несколько интенсифицировать процесс теплообмена, Однако данная конструкция имеет также невысокую эффективность теплообмена, кроме того, конструкция сложна и трудоемка в изготовлении.
Известна также конструкция зоны теплообмена конической части цилиндро-конических танков (ЦКТ) для пивной промышленности, представляющая собой закрепленные на стенке конической части танка зигованные полосы и кольца с каналами для среды. Полосы расположены лучами между кольцами и образуют с ними общий теплообменный контур. (В.И. Попов, И.Т. Кретов, «Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности, М., «Легкая и пищевая промышленность, 1983г., с. 311-312, рис. XVII-3.)
Данная конструкция более эффективна, чем предыдущая за счет увеличения скорости прохождения тепло- или хладоагента при движении среды в каналах, обеспечивающей повышение коэффициента теплопередачи. Но расположение полос с каналами для среды в виде лучей не позволяет увеличивать площадь теплообмена, т.к. количество располагаемых лучей на вершине конуса ограничено, особенно на аппаратах сравнительно небольшого диаметра. Кроме того, организация потока среды, при которой возможны многократные ее повороты на 90° в процессе прохождения по каналам зоны теплообмена, приводит к снижению скорости
2 потока среды и увеличению гидравлического сопротивления.
Перечисленные недостатки снижают эффективность теплообмена конической части пивных танков.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция зоны теплообмена конической части емкостных аппаратов, содержащая теплообменную рубашку из кольцевых зигованных элементов с каналами для среды, объединенных в общий контур с подводящими и отводящими патрубками. (Ццилиндро-конический танк фирмы HOLVRIEKA, Нидерланды - чертеж прилагается).
Последняя конструкция зоны теплообмена частично устраняет недостатки рассмотренных выше конструкций. Зона теплообмена из кольцевых элементов позволяет неограниченно расширять площадь теплообмена, что повышает эффективность теплообмена в целом. Если же рассматривать поток среды в каналах объединенного контура, то он организован так же неоптимально. Образующие общий контур кольцевые зигованные элементы соединены общим коллектором, поэтому среда вынуждена разворачиваться на каждом концевом элементе для перехода на следующий на 90°, что так же снижает скорость потока, увеличивает гидравлическое сопротивление и уменьшает коэффициент теплопередачи.
Таким образом, конструкция зоны теплообмена конической части емкостных аппаратов, принятая за прототип, также характеризуется невысокой эффективностью теплообмена.
3 Задачей полезной модели является повышение эффективности
теплообмена конической части емкостных аппаратов.
Поставленная задача достигается тем, что в зоне теплообмена конической части емкостных аппаратов, содержащей теплообменную рубашку из кольцевых зигованных элементов с каналами для среды, объединенных в общий контур с подводящими и отводящими патрубками, согласно полезной модели, теплообменная рубашка выполнена из зигованных элементов в виде вертикальной спирали, представляющей собой конусный змеевик, витки которого выполнены с заданным шагом и образуют перевернутый основанием вверх конус с конусностью повторяющей конусность аппарата. Причем, теплообменная рубашка образована спиралью, представляющей собой змеевик, выполненный из цельной трубы круглого сечения со срезанной половиной диаметра по всей длине с образованием канала сегментообразного сечения или из комплекта разрезных колец с диаметрами, повторяющими диаметры конической части аппарата с заданным шагом по убывающей, состыкованных по намеченному спиральному контуру на конической части аппарата с образованием единого канала. Разрезные кольца в поперечном сечении имеют форму уголка, причем, при конусной части аппарата равной 90°, уголок выполнен равнополочным, а при углах конической части отличных от 90° разнополочным, при этом в зависимости от того, острый угол или тупой, кольца переворачивают, меняя расположение коротких и длинных полок уголка.
4 Выполнены зоны теплообмена конической части тепловых
аппаратов из закрепленной на аппарате теплообменной рубашки, выполненной из зигованных элементов в виде вертикальной спирали, представляющей собой конусный змеевик, витки которого выполнены с заданным шагом и образуют перевернутый основанием вверх конус с конусностью, повторяющей конусность аппарата, позволяет получить простую конструкцию зоны теплообмена с практически любой площадью теплообмена, изменяя шаг витков конусного змеевика. Кроме того, получаемая зона теплообмена имеет оптимальную организацию потока среды, среда плавно переходит с витка на виток без разворотов и сопротивлений, скорость потока при этом не теряется. Из-за этого резко возрастает коэффициент теплопередачи и эффективность процесса теплообмена в целом.
То, что спиральный змеевик рубашки может быть выполнен как из цельной трубы круглого сечения, так и из набора разрезных колец, позволяет получить данную зону теплообмена в виде цельной или сборной конструкции, что удобно при изготовлении, т.к. можно изготавливать исходя из наличности того или иного материала, причем, цельная конструкция спирального змеевка рубашки из трубы круглого сечения имеет строго одинаковый канал по всей длине, что улучшает внешний товарный вид зоны теплообмена и аппарата в целом. Сборная конструкция спирального змеевика рубашки из набора разрезных колец более экономична в изготовлении, т.к. можно использовать отходы и снизить
5
расход материала. Выполнение разрезных колец с поперечным сечением в форме уголка, позволяет получить самую простую и доступную конструкцию сборного спирального змеевика рубашки. Комбинируя размерами полок уголка разрезных колец, переворачивая их, меняя расположение длинных и коротких полок, возможно изготовление зоны теплообмена на емкостных аппаратах с любой отличной от цилиндрической формой. Таким образом, возможно изготовление зон теплообмена на сферических, элептических и других днищах аппаратов.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется схемами, на которых изображено: на фиг.1 - конструкция зоны теплообмена конической части емкостных аппаратов, общий вид; на фиг.2 - начало формирования спирали в виде конусного змеевика из трубы круглого сечения; на фиг.З - то же, конец формирования; на фиг.4 - перевернутая спираль конусного змеевика из трубы круглого сечения, зафиксированная временными планками, до обработки; на фиг.З - полученная теплообменная рубашка из цельной трубы круглого сечения со срезанной половиной диаметра по всей длине с образованием канала сегментообразного сечения, зафиксированная временными планками; на фиг.6 - начало формирования спирали конусного змеевика сборной конструкции из комплекта разрезных колец и с поперечным сечением в форме уголка; на фиг.7 - то же, конец формирования; на фиг.8 - зона теплообмена из комплекта разрезных колец и с поперечным сечением в форме уголка при конусной части аппарата равной 90°; на фиг.9 - то же, но 120°; на фиг. 10 - то же, но 60°. Зона теплообмена конической части емкостных аппаратов состоит из
теплообменной рубашки 1 из зигованных элементов в виде вертикальной спирали, представляющий собой конусный змеевик с подводящими и отводящими патрубками 2, 3, закрепленную на конической части емкостного аппарата 4. Сущность полезной модели раскрывается так же конкретными примерами выполнения зоны теплообмена представляющую собой цельную и сборную конструкцию. При выполнении зоны теплообмена емкостных аппаратов представляющую цельную конструкцию, первоначально в приспособлении 5 формируют вертикальную спираль с заданным шагом между витками и конусностью из цельной трубы круглого сечения в виде конусного змеевика 6 и фиксируют его снаружи временными планками 7 (фиг.2,3). Шаг витков определяется расчетным путем, исходя из необходимой площади теплообмена. После чего, зафиксированный временными планками 7 змеевик 6 переворачивают и устанавливают в оправку 8 смонтированную на планшайбе 9 (фиг.4), закрепляют его и снимают резцом половину диаметра трубы круглого сечения, по всей длине до получения теплообменной рубашки с каналом сегментообразного сечения 10 (фиг.5). Приспособление 5 и оправка 8 имеют форму, соответствующую форме конической части емкостного аппарата 4. Далее полученную теплообменную рубашку с каналом сегментообразного сечения 10 закрепляют на стенке емкостного аппарата 4 и снимают временно фиксирующие планки 7. После заглушки торцов рубашки 1 и приварки подводящих и отводящих патрубков 2,3- зона теплообмена готова к
7 работе. При выполнении зоны теплообмена емкостных аппаратов,
представляющую собой сборную конструкцию, первоначально изготавливают комплект разрезных колец, имеющих в поперечном сечении например форму уголка, причем, если конусная часть аппарата равна 90°, поз.11, то уголок выполнен равнополочным 12 (фиг.8), при углах отличных от 90°, например 120° - поз. 13 (фиг.9) или 60° - поз. 14 (фиг. 10), уголок выполнен разнополочным 15. Разрезные кольца выполнены с диаметрами, повторяющими диаметры конической части емкостного аппарата 4 по убывающей. Затем устанавливают коническую часть 11 аппарата 4 в приспособление на оправку 16 в форме аналогичного конуса, закрепляют ее и разме чают на ней контуры 17 конусного змеевика с заданным шагом. Далее закрепляют разрезное кольцо 12с наименьшим диаметром в начальной точке «А (при помощи сварки) и начинают роликом 18 формировать конусный змеевик по намеченному контуру 17, разводя концы разрезных колец в форме равнополочного уголка 12 до образования одного витка спирали и стыкуя конец каждого предыдущего витка с началом последующего кольца до полного образования спиральной конусной теплообменной рубашки 19 с образованием единого спирального канала. Оправка 16 установлена на планшайбе 9, при помощи которой осуществляют ее вращение относительно ролика 18. По мере формирования витков змеевика производят их точечную фиксацию сваркой, а по окончании осуществляют полное закрепление рубашки на конической части аппарата с помощью сварки. После заглушки торцов и приварки
8 подводящих и отводящих 2, 3 патрубков, зона теплообмена готова к работе.
При углах конической части аппарата отличных от 90° - кольца переворачивают, меняя расположение коротких и длинных полок.
Работает зона теплообмена конической части емкостных аппаратов как любая известная теплообменная рубашка. В зависимости от того, требуется подводить тепло или наоборот отводить его от конической части аппарата, в подводящий патрубок 3 подается тепло - или хладагент. Проходя по спиральным каналам теплообменной рубашки 1, среда нагревает или охлаждает коническую часть аппарата и выходит наружу из отводящего патрубка 2.
Зоны теплообмена согласно полезной модели цельной и сборной конструкции были изготовлены на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец им. Н.С. Артемова на стерилизаторах дрожжевого сусла (нагрев) и емкостях сбора и охлаждения дрожжей (охлаждение). При опытной эксплуатации указанных аппаратов было достигнуто повышение эффективности теплообмена на 15% и за счет этого улучшилась стабильность протекающих в них процессов.
9
Формула полезной модели.
1.3она теплообмена конической части емкостных аппаратов, содержащая теплообменную рубашку из кольцевых зигованных элементов с каналами для среды, объединенных в общий контур с подводящими и отводящими патрубками, отличающаяся тем, что теплообменная рубашка выполнена из зигованных элементов в виде вертикальной спирали, представляющей собой конусный змеевик, витки которого выполнены с заданным шагом и образуют перевернутый основанием вверх конус с конусностью повторяющей конусность аппарата.
2.Зона теплообмена по п. 1,отличающаяся тем, что теплообменная рубашка образована спиралью, представляющей собой конусный змеевик, выполненный из цельной трубы круглого сечения со срезанной половиной диаметра по всей длине с образованием канала сегментообразного сечения.
З.Зона теплообмена по п. 1,отличающаяся тем, что теплообменная рубашка образована спиралью, представляющей собой конусный змеевик, выполненный из комплекта разрезных колец с диаметрами, повторяющими диаметры конической части аппарата с заданным шагом по убывающей, состыкованных по намеченному
спиральному контуру на конической части аппарата с образованием единого спирального канала.
4.Зона теплообмена по п.п. 1,3, отличающаяся тем, что разрезные кольца в поперечном сечении имеют форму уголка, причем, при конусной части аппарата равной 90°, уголок выполнен равнополочным, а при углах конической части отличных от 90° - разнополочным, при этом в зависимости от того острый угол или тупой, кольца переворачивают, меняя расположение коротких и длинных полок уголка.
J 7/yЈ7 /7 е/ / а&5/ 7е/у& #&//ts se&r 3Ј
e/ rЈOCS77SS6/y &/ /7ЈГ/ЭЈГ/ 7аЈ
ФигЛ
Фиг.2
/г}е/7/ у0 5ме#& гониуес &й
еМГ0С/77#Ј /Х &/7/7Јr/0#/7 &Ј
Фиг.4
Зоясг /7 e/ j&0 $/ f&ycr  У&с/7 с/
e.MЈa /7 t/6/X & /7&p&S7 0Ј