Приклад № 3

Розрахувати пластинчастий теплообмінник для охолодження пивного сусла. Зобразити схему теплообмінника та визначити:

1) теплові потоки через пластини водяної та розсільної секції;

2) температуру води та розсолу на виході з теплообмінника;

3) поверхню теплопередачі у водній і розсільній секціях;

4) необхідну кількість пластин і пакетів;

5) гідравлічний опір.

Пластинчасті теплообмінники знаходять широке застосування в пивоварному виробництві для охолодження гарячого сусла і для пастеризації фільтрованого пива. Ці апарати застосовують не тільки для теплових, але і для деяких масообмінних процесів: деаерації і газування води, карбонізації пива [1, с. 296].

Пластинчастий теплообмінник (рисунок 5.4) складається з тонких штампованих сталевих пластин 7 - 11, встановлених паралельно на штангах 3, кінці яких закріплені в стійках 1 і 5. Пластини за допомогою плити 4 і гвинта 6 стискуються так, що між кожною парою пластин утворюється вузький простір, по якому протікає рідина. Ущільнення пластин створюється за допомогою гумових прокладок, приклеюваних по периферії пластин і навколо отворів для проходу рідин. На рисунку 5.4 пластини показані в розімкненому стані.

Прокладки на пластинах розташовують так, щоб після зборки теплообмінника на ньому утворилися дві системи каналів: по одній протікає оброблювана рідина (сусло, пиво і т. п.), яку називають надалі продуктом; по

Рисунок 5.4 Пластинчастий теплообмінник

другому – холодний розсіл, холодна або гаряча вода, пара і т. п. На рисунку 5.4 видно, що продукт який поступає у верхній кутовий канал 2, тече по каналах між пластинами 8 і 9, 10 і 11, а теплоносій рухається назустріч по каналах між пластинами 7 і 8, 9 і 10. Таким чином, потоки продукту і теплоносія чергуються, і теплообмін у кожного потоку проходить через обидві обмежувальні поверхні, тобто через обидві пластини.

Рух потоків продукту і теплоносія, розглянуті на загальному вигляді теплообмінника (рисунок 5.4), можна надати у вигляді плоскої схеми (рисунок 5.5). На рисунку показано мінімальне число потоків з метою пояснити принцип роботи і будови теплообмінника. В дійсності число потоків у теплообміннику може бути вельми значним. Так, якщо замість двох паралельних потоків продукту (дивись рис. 5.4 і 5.5) будемо пропускати продукт відразу чотирма або шістьма паралельними потоками між більшим відповідно в 2 або 3 рази числом пластин, то продуктивність теплообмінника також зросте в таке число раз.

Якщо за один прохід між пластинами продукт не встигає охолодитись (або нагрітись), на скільки це необхідно, то, очевидно, його можна знову пропустити через наступну групу пластин цього ж теплообмінника. Така група пластин, по якій продукт (або теплоносій) тече паралельними потоками, називається пакетом. Частина теплообмінника, що охолоджується або обігрівається одним теплоносієм, і що складається з одного або декількох пакетів, називається секцією. На рисунку 5.6 показана спрощена схема двосекційного холодильника для сусла. У водяній секції гаряче сусло охолоджується водою. Для цього воно проходить трьома паралельними потоками послідовно через два пакети пластин. Холодна вода у водяній секції рухається протитечією по відношенню до сусла і проходить також послідовно через обидва пакети пластин. У розсільній секції схема руху рідин дещо інша: сусло двома паралельними потоками проходить послідовно по двох пакетах пластин, а сольовий розсіл рухається через усю секцію чотирма паралельними потоками. Отже, у розсільній секції для сусла пластини утворюють два пакети, а для розсолу – тільки один пакет.

Схему компоновки пластинчастого теплообмінника прийнято позначати дробовим виразом: у чисельнику стоїть багаточлен, сума членів якого дорівнює числу послідовно з’єднаних пакетів, а значення кожного члена відповідає числу паралельних потоків продукту в даному пакеті; у знаменнику сума членів відповідає числу пакетів, а кожний член – числу паралельних потоків теплоносія в даному пакеті.

Таким чином, компоновка пластин теплообмінника (дивись рис. 5.6) може бути записана наступним чином:

водяна секція ; розсільна секція .

Використовуючи різні схеми компоновки пластин у теплообміннику, можна змінювати в доволі широких межах продуктивність апарата (пропорційну швидкості руху продукту і числу паралельних потоків його в пакетах), глибину охолодження або ступінь нагрівання (пропорційний числу пакетів і секцій) і швидкість руху рідин, що обмінюються теплом.

У пластинчастих теплообмінниках можна одночасно здійснювати різні теплові процеси: нагрівання, охолодження, пастеризацію.

Вихідні дані:

продуктивність теплообмінника 6, 0 м³ сусла за годину;

11-% (жигулівське) сусло охолоджується від 70 до 23 º С холодною водою, що має температуру 18 º С, а потім до 6 º С розсолом, що має температуру –5 º С;

витрати води й розсолу – двократні до об’єму сусла.