Устройство теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В теплообменных аппаратах рекуперативноготипа тепло передается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, которая называется поверхностью нагрева.

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность твердого тела омывается попеременно различными теплоносителями. При омывании твердого тела одним из теплоносителей оно нагревается за счет его тепла; при омывании твердого тела другим оно охлаждается, передавая тепло этому теплоносителю. Таким образом, в регенераторах, кроме теплоносителей, обменивающихся теплом, необходимо наличие твердых тел, которые воспринимают тепло от одного теплоносителя и аккумулируют его, а затем отдают другому.

В смесительных аппаратах передача тепла происходит при непосредственном соприкосновении и смешении теплоносителей.

Рекуперативные теплообменные аппараты. В зависимости от конструктивного выполнения поверхности теплообмена рекуператоры разделяют на теплообменники кожухотрубные, двухтрубные, змеевиковые, спиральные, оросительные, специальные и на трубные выпарные аппараты.

Кожухотрубные теплообменники - наиболее распространенный в химической технике тип теплообменной аппаратуры.

г д е

Рис. 2. Вертикальный кожухо­трубный теплообменник (а) с неподвижными трубными решетками: 1 – кожух; 2 - трубная решетка; 3 – трубы; 4 – патрубок; 5 – днище; 6 – опорная лапа; 7 – болтовое соединение; 8 – уплотнительная прокладка; 9 –фланец; б – уплотнение труб в трубной решетке развальцовкой; в – узел соединения крышки и кожуха; г, д, е – способы размещения труб в трубной решетке

Простейший теплообменник этого типа - кожухотрубный вертикальный теплообменник с неподвижными трубными решетками представлен на рис. 2. Он состоит из цилиндрической обечайки - кожуха 1, к которой с двух сторон приварены трубные решетки 2. В трубных решетках плотно закреплен пучок труб 3. К кожуху с помощью фланцев 9 присоединены болтами 7 днища (камеры) 5. Уплотнение создается прокладкой 8. Для ввода и вывода теплоносителей к кожуху и днищам приварены патрубки 4. Теплообменник устанавливают на опорных лапах 6. Один поток теплоносителя G₁ направляется через патрубок в нижнюю камеру, проходит по трубам и выходит через патрубок в верхней камере. Другой поток теплоносителя G₂ вводится через верхний патрубок на кожухе в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится через нижний патрубок. Тепло от одного теплоносителя другому передается через стенки труб.

Плотность соединения труб с трубной решеткой обеспечивается развальцовкой или сваркой (рис. 2б). Применяют также сложное и дорогостоящее сальниковое уплотнение, допускающее продольное перемещение труб при температурных удлинениях.

Существует несколько способов размещения труб в трубных решетках: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (рис. 2г), по сторонам и вершинам квадратов (рис. 2д) и по концентрическим окружностям (рис. 2е). Эти способы размещения диктуются требованием наибольшей компактности теплообменника. Преимущественное распространение имеет размещение труб по сторонам и вершинам правильных шестиугольников.

С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, то есть разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах.

а б

Рис. 3. Схемы многоходовых теплообменников: а – по трубному пространству (1 – корпус; 2 – трубы; 3 – днище; 4 – перегородки); б – по межтрубному пространству (1 – корпус; 2 – перегородки; 3 – трубы; 4 - днище;

На рис. 3а показан такой многоходовой теплообменник, в котором теплоноситель проходит трубное пространство за четыре хода. Этим достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. Целесообразно увеличивать скорость того из теплоносителей, который имеет большее термическое сопротивление.

Секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок (рис. 3б).

Приведенные на рис. 3 кожухотрубные теплообменники надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами 25...30°С. При более высоких разностях температур между корпусом и трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Простейшее устройство для компенсации температурных удлинений - линзовый компенсатор (рис. 4а), который устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Теплообменники с U-oбразными греющими трубами (рис. 4б) имеют одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.

Кожухотрубные теплообменники используют чаще всего для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. Жидкость пропускается по трубам, а пар – по межтрубному пространству.

Преимущества кожухотрубных теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри (за исключением теплообменника с U-образными трубами).

Рис. 4. Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений: а - с линзовым компенсатором (1 - корпус; 2 - греющая труба; 3 - линзовый компенсатор); б - с U-образными греющими трубами (1 - крышка; 2 - корпус; 3 - U-образные греющие трубы)

Недостаткиэтих теплообменников: сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке, например, из чугуна или ферросилида.

Теплообменники «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большего диаметра и расположенных внутри их труб меньшего диаметра (рис. 5). Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из теплоносителей движется по внутренней трубе, а другой по кольцевому каналу, образованному внутренней и внешней трубами. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы.

Рис. 5. Теплообменник типа «труба в трубе»: 1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3 - колено; 4 - патрубок

В этих теплообменниках достигаются высокие скорости теплоносителей, как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи теплообменник составляют из нескольких секций, получая батарею.

Преимущества теплообменников типа «труба в трубе»: высокий коэффициент теплопередачи из-за большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления. Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, высокой металлоемкости, трудности очистки межтрубного пространства.

Теплообменники типа «труба в трубе» применяют при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром.

Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубы, согнутые в виде змеевиков и погруженные в аппарат с жидкой средой (рис. 6). Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготовляют с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.

Рис. 6. Погружной змеевиковый теплообменник: 1 – змеевик; 2 – корпус аппарата	Рис. 7. Оросительный теплообменник: 1 – распределительный желоб; 2 – труба; 3 – колено; 4 – стойка; 5 – сборный желоб

Преимущество змеевиковых теплообменников - простота изготовления. В то же время такие теплообменники громоздки и трудно поддаются очистке. Применяют их для охлаждения и нагрева конденсата, а также для конденсации паров.

Оросительные теплообменники используют для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они (рис. 7) из нескольких расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно перетекает в верхнюю трубу теплообменника и на расположенные ниже трубы. Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплопередачи в таких теплообменниках невелик. Оросительные теплообменники просты по устройству, но металлоемки. Обычно их устанавливают на открытом воздухе.

Спиральные теплообменники. Поверхность теплообмена в спиральных теплообменниках (рис. 8) обычно образуется двумя согнутыми в виде спиралей металлическими листами 1 и 2. Внутренние концы спиралей присоединены к перегородке 3. Между листами образованы каналы прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители G₁ и G₂. С торцов каналы закрыты плоскими крышками 4 и уплотнены прокладками 6. Крышки крепятся болтами к фланцам 5. Иногда расстояние между спиралями фиксируется приваренной к ним дистанционной полосой 7, которая, кроме того, придает спиралям жесткость и прочность. У наружных концов спиралей и у центра крышки приварены патрубки 8 для ввода и вывода теплоносителей.

Рис.8. Спиральный теплообменник: 1, 2 - металлические листы; 3 - перегородка; 4 - крышка; 5 - фланец; 6 - прокладка; 7 - дистанционная полоса; 8 -патрубки; I а, б – варианты соединения крышек и спиральных перегородок

Достоинством спиральных теплообменников является их компактность и возможность работы при больших скоростях теплоносителей: для жидкостей до 2 м/с, для газов до - 20 кг/(м²∙с). Благодаря отсутствию резких изменений скоростей теплоносителей гидравлическое сопротивление у них меньше, чем кожухотрубных.

Такие теплообменники целесообразно использовать для теплообмена между жидкостями и газами ввиду реализации весьма значительных коэффициентов теплопередачи. Теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому их можно применять также для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например, для охлаждения бражки на спиртоперегонных заводах.

Недостаток спиральных теплообменников - сложность изготовления, ремонта и очистки, а также практическая невозможность работы при давлениях теплоносителей выше 1 МПа.

Пластинчатые теплообменники (рис. 9)монтируют на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусьев 2, которые соединяют стойку 6 с неподвижной плитой 4. По направляющим стяжным шпилькам 5 перемещается подвижная плита 1. Между плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин 3, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.

Рис. 9. Пластинчатый теплообменник и принцип его действия: 1 – подвижная крышка; 2 – несущая балка; 3 – пакет пластин; 4 – неподвижная крышка; 5 – стяжная шпилька; 6 - стойка

Эти теплообменники используют в качестве нагревателей, холодильников, а такжекомбинированных теплообменников для пастеризации (например, молока) и стерилизации (мелассы). Теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин. Значительная эффективность обусловлена большой величиной отношения площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника. Это достигается благодаря высоким скоростям теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкому термическому сопротивлению стенок пластин.

Пластинчатые теплообменники изготовляют в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.

К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность забивания взвешенными в жидкости твердыми частицами.

Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи.

Рис.10. Секция калорифера: 1 – коробка; 2 – ребро – пластина; 3 - труба

Для оребрения поверхности используют стальные круглые или прямоугольные шайбы, которые приваривают в основном к трубам. В трубчатых теплообменниках применяют поперечные или продольные ребра.

Примером оребренного теплообменника может служить секция калорифера (рис. 10), используемого для нагрева воздуха греющим водяным паром. Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, который омывает пластины калорифера.

Коэффициент теплоотдачи со стороны насыщенного водяного пара к стенке трубы α₁ ≥ 10000 Вт/ (м²∙К), а от стенки к воздуху α₂ = 12...50 Вт/(м²∙К). Оребрение внешней поверхности труб значительно увеличивает количество теплоты, переданной от пара к воздуху.

Рис.11. Аппарат с рубашкой (а) и варианты приварных змеевиков (б - в): 1 – корпус аппарата; 2 – рубашка; 3 - змеевик

В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса теплоносителем.

Рис.12. Установка с циркулирующим зернистым материалом: 1, 2 – теплообменники; 3 – шлюзовой затвор; 4 – газодувка; 5 – линия пневмотранспорта ; 6 - распределитель газа; 7 - сепаратор

На рис. 11а представлен аппарат с рубашкой, которая приварена к стенкам аппарата. В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате. Иногда вместо сплошной рубашки к корпусу аппарата приваривают змеевик. На рис. 11б, в показаны варианты приваренных к корпусу аппарата змеевиков.

Регенеративные теплообменники. Какправило, теплообменники этого типа состоят из двух секций, в одной из которых теплота передается от теплоносителя промежуточному материалу, в другой - от промежуточного материала технологическому газу. Примером регенеративной теплообменной установки является установка непрерывного действия с циркулирующим зернистым материалом (рис. 12), который выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топочных газов к холодным технологическим. Установка состоит из двух теплообменников, каждый из которых представляет собой шахту с движущимся сверху вниз сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого теплообменника имеется газораспределительное устройство для равномерного распределения газового потока по сечению теплообменника. Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит непрерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый материал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную линию, по которой воздухом подается в бункер - сепаратор, где частицы осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.

Смесительные теплообменникибывают мокрого и сухого типов. Теплота в них передается от одного теплоносителя к другому при их смешении.

Рис. 13. Прямоточный конденсатор смешения: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – распылительное устройство; 4 - мокровоздушный насос; 5 - штуцер	Рис. 14. Барометрический конденсатор: 1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – барометрическая труба; 4 - колодец (гидрозатвор); 5 - ловушка

Мокрый прямоточный конденсатор (рис.13) предназначен для конденсации пара водой. Охлаждающая вода вводится в конденсатор через сопла. Распыление воды значительно увеличивает площадь поверхности теплообмена между паром и водой. При взаимодействии капелек воды с паром пар конденсируется. Конденсат, вода и несконденсировавшиеся газы откачиваются из конденсатора мокровоздушным насосом.

В противоточном сухом конденсаторе смешения (рис. 14) взаимодействие пара и охлаждающей воды происходит в противотоке. Охлаждающая вода поступает на верхнюю перфорированную тарелку конденсатора, а пар - под нижнюю тарелку. Вода протекает с тарелки на тарелку в виде тонких струй через отверстия и борта. Взаимодействие пара с жидкостью происходит в межтарельчатом объеме конденсатора. Образовавшийся в результате конденсации пара конденсат вместе с водой выводится через барометрическую трубу 3, конец которой опущен в колодец 4, а воздух отсасывается через ловушку 5 вакуум-насосом. В связи с этим такие конденсаторы иногда называют барометрическими.

Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под вакуумом. Обычно абсолютное давление в них составляет 0,01...0,02 МПа.

Для уравновешивания разности давлений в барометрическом конденсаторе и атмосферного служит столб жидкости, находящейся в барометрической трубе, высота которой обычно 11-12 м.

Размеры барометрического конденсатора зависят от диаметра барометрической трубы и определяются по соответствующим справочным материалам.

Для выбора вакуум-насоса необходимо знать количество воздуха, содержащегося в паре и воде, а также количество воздуха, подсасываемого в конденсатор и коммуникации через неплотности уплотнений.

Выпарные аппараты (испарители).Наибольшее распространение получили аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей: кипятильника (греющей камеры), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора и паровой камеры с сепаратором, в которой вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в паровой камере (сепараторе) составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1) выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

2) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

3) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

4) пленочные выпарные аппараты;

5) роторно-пленочные аппараты;

1. В выпарных аппаратах со свободной циркуляцией неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи греющих труб. В растворе возникают неупорядоченные конвекционные токи (свободная циркуляция), обусловленные свободной конвекцией. К данной группе относятся аппараты, выполненные в виде чаш или котлов, поверхность теплообмена которых образована стенками аппарата (см. рис. 11) и змеевиковые выпарные аппаратыаналогичные змеевиковым погружным теплообменникам (см. рис.6). Более производительны аппараты с горизонтальными греющими трубами (рис. 15), основным недостатком которых является трудность очистки межтрубного пространства, вследствие чего они неприменимы для выпаривания кристаллизующихся растворов.

Рис. 15. Горизонтальный испаритель с кипением в межтрубном пространстве: 1 - перегородка; 2 - патрубок для выхода паров; 3 - перегородка-сепаратор; 4 - патрубок для подачи греющего пара; 5 - разделительная перегородка коллектора; 6 - патрубок для выхода греющего пара; 7 - патрубок для подачи выпариваемой жидкости; 8 - опорные перегородки; 9 - греющие трубы; 10 - патрубок для выхода концентрата

В целом, аппараты со свободной циркуляцией работают весьма неинтенсивно ив настоящее время применяются лишь для выпаривания вязких растворов при небольших масштабах производства. Они могут быть использованы также при применении греющего пара высокого давления и при выпаривании агрессивных жидкостей. В последнем случае змеевики или греющие трубы изготовляются из химически стойкого материала, а внутренняя поверхность аппарата снабжается защитным покрытием.

2. В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией выпариваемый раствор находится в отличие от аппаратов свободной циркуляции внутри обогреваемых труб (рис. 16).

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы 1 и обогреваемых подъемных (кипятильных) труб 2. Если жидкость в подъемных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Вследствие этого происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: «подъемные трубы → паровое пространство → опускная труба →подъемные трубы и т. д». При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

Для устойчивой циркуляции требуются два условия: 1) достаточный уровень жидкости в опускной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить смеси необходимую скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб, следствием чего является прекращение циркуляции. При этом происходит резкое снижение производительности аппарата и быстрое покрывание труб накипью.

Рис. 16. Схема естественной циркуляции: 1- циркуляционная (опускная) труба; 2- кипятильная труба; 3- паровое пространство; 4 - концентрируемый раствор; Q – теплопоток к кипятильной трубе	Рис.17. Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой: 1 – греющая камера; 2 – кипятильные трубы; 3 – циркуляционная труба; 4 – патрубок стока раствора из сепаратора; 5 – паровая камера; 6 - сепаратор

С повышением уров­ня жидкости возрастает скорость циркуляции и увеличивается коэффициент теплопередачи. Однако его возрастание происходит лишь при повышении уровня до оптимального значения, соответствующего покрытию кипятильных труб по всей высоте парожидкостной смесью. При дальнейшем повышении уровня коэффициент теплопередачи несколько снижается, так как из-за возрастания давления внизу жидкость начинает кипеть не в нижней их части, а немного выше. При этом, чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и тем больше скорость циркуляции. Для достижения достаточной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 7…10° С.

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой (рис. 17)

является одной из наиболее старых, но широко распространенных конструкций. Греющая камера 1 состоит из ряда вертикальных кипятильных труб 2, обогреваемых снаружи паром. По оси камеры расположена циркуляционная труба 3 значительно большего диаметра, чем кипятильные трубы. Хотя в таком аппарате циркуляционная труба обогревается снаружи паром, раствор в ней имеет все же меньшую температуру, чем в кипятильных трубах. Это объясняется тем, что поверхность трубы пропорциональна ее диаметру, а объем жидкости в ней пропорционален квадрату диаметра; таким образом, в циркуляционной трубе объем жидкости на единицу поверхности трубы значительно больше, чем в кипятильных трубах.

Рис.18. Вертикальный испаритель с короткими трубами: 1 – паровая камера; 2 - патрубок для подачи греющего пара; 3 - патрубок для подачи концентрируемого продукта; 4 - нижняя крышка; 5 - отвод конденсата греющего пара; 6 - трубка для сдувки воздуха; 7 - греющая камера; 8 - трубка для сдувок неконденсируемого газа; 9 - дренаж сепаратора; 10 - сепаратор; 11 - патрубок для отвода сухого пара; 12 – дренаж

Рис. 19. Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой: 1 - патрубок для выхода паров; 2 - насадка из проволоки, закрепленная на решетке; 3, 5 - соединительный трубопровод и входной патрубок для обеспечения циркуляции концентрируемой жидкости; 4 - патрубок для удаления конденсата; 6 - дренаж; 7 - подача концентрируемой жидкости; 8 - патрубок для подвода греющего пара; 9 - сдувка неконденсирующихся газов; 10 - разбрызгиватель; 11 - подача охлаждающей воды

На рис. 18 представлена модификация данной конструкции, отличающаяся тем, что сепаратор вынесен из паровой камеры аппарата.

Аппараты с центральной циркуляционной трубой отличаются простотой конструкции, ремонта и очистки. В то же время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

В выпарном аппарате с подвесной греющей камерой (рис. 19) роль циркуляционной трубы выполняет кольцевой зазор между корпусом аппарата и кожухом камеры. Площадь поперечного сечения кольцевого зазора должна быть больше, чем площадь сечения труб. Преимущества этого типа испарителя заключаются в том, что теплообменник может быть извлечен для очистки и ремонта, кроме того, в кольцевом зазоре раствор имеет существенно меньшую температуру по сравнению с аппаратами с центральной циркуляционной трубой, поскольку кольцевое пространство со стороны корпуса не обогревается. Это существенно увеличивает интенсивность циркуляции раствора.

Недостатками являются усложнение конструкции и большие габариты, так как часть площади сечения аппарата не используется из-за наличия кольцевого канала.

3. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи.На рис. 20 - 21 показаны аппараты с соосной и вынесенной греющими камерами.

Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а сконцентрированный раствор отводится из нижней части паровой камеры. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление в нижней части кипятильных труб больше, чем в верхней, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Из-за этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости существенно превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси в верхней части труб, очень велико.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах зависит только от производительности циркуляционного насоса и обычно принимается из диапазона 1,5...3,5 м/с. В связи с этим аппараты данного класса целесообразно использовать при работе с малой разностью температур между греющим паром и раствором (3...5 °С), а также при выпаривании растворов большой вязкости. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией имеют площадь поверхности теплопередачи от 25 до 1200 м², длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметров, которые принимают из ряда: 25, 38, 57 мм. Избыточное давление в греющей камере составляет от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе - 93 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры не менее 0,9.

Рис. 20. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора и соосной греющей камерой: 1 - греющая камера; 2 – паровая камера; 3 - циркуляционная труба; 4 - насос

Рис. 21. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой: 1 – паровая камера; 2 – греющая камера; 3 - циркуляционная труба; 4 – циркуляционный насос; 5 - подача греющего пара; 6- отвод неконденсируемых газов; 7 - выход конденсата; 8 - патрубок для отвода концентрата; 9 - патрубок для подачи концентрируемого продукта; 10 - отвод вторичного пара; 11 - сепаратор; 12 - уровень жидкости; 13 - паровой пояс; 14 – компенсатор температурных деформаций

Преимущества аппаратов с принудительной циркуляцией: высокие коэффициенты теплопередачи (в 3...4 раза большие, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньшие площади поверхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур. Недостаток этих аппаратов – некоторое усложнение конструкции и затраты энергии на работу насоса.

4. Пленочные выпарные аппаратыприменяют при концентрировании растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один проход раствора через трубы.

Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой (рис.22) и нисходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой (рис. 23).

Рис. 22. Пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой: 1 - греющая камера; 2 – паровая камера; 3 – подача греющего пара; 4 – выход конденсата; 5 – подача исходного раствора; 6 – выход вторичного пара; 7 – выход концентрированного раствора; 8 - дренаж	Рис. 23. Пленочный выпарной аппарат с нисходящей пленкой: 1 – греющая камера; 2 – паровая камера

Пленочные аппараты, как и описанные выше, включают греющую 1 и паровую 2 камеры. В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м, которые обогреваются греющим паром.

На рис. 22 показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и вынесенной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20...25% высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходит турбулизация пленки с интенсивным обновлением поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

На рис. 23 показан аппарат с нисходящей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора. Коэффициенты теплопередачи у них существенно нижем, чем в пленочных аппаратах с восходящей пленкой

Пленочные выпарные аппараты изготовляют с площадью поверхности теплопередачи от 63 до 2500 м² с диаметром труб 36 и 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в паровой камере до 93 кПа.

Общий недостаток любых пленочных аппаратов - неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Рис. 24. Роторно-пленочный выпарной аппарат: 1 - привод; 2 - уплотнение; 3 - ротор; 4 - флажок; 5 - корпус; 6 - рубашка

5. Роторно-пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании пищевых растворов и суспензий.

Аппарат (рис.24) представляет собой цилиндрический или конический корпус с обогреваемой рубашкой. Внутри корпуса вращается ротор, распределяющий раствор по цилиндрической поверхности корпуса в виде пленки, а в некоторых случаях - в виде струй и капель. Корпуса аппаратов выполнены, как правило, из нержавеющей стали Х18Н10Т. Высота аппаратов достигает 12,5 м при диаметре 1,0 м, площадь поверхности теплообмена от 0,8 до 16 м².

Роторно-пленочные аппараты бывают с жестким или размазывающим ротором.

Жесткий ротор изготовляют пустотелым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой аппарата составляет от 0,4 до 1,5 мм. Исходный продукт подается в верхнюю часть аппарата и лопастями распределяется по цилиндрической стенке в виде пленки. Окружная скорость лопастей достигает 12 м/с. При работе под вакуумом (при давлении до 100 Па) вал ротора снабжен торцевым уплотнением. Нижний подшипник смазывается перерабатываемым материалом.

Принципиальное отличие испарителя с размазывающим ротором заключается в применении ротора с шарнирно закрепленными на валу флажками. При вращении ротора флажки прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности корпуса и размазывают по ней продукт в виде пленки. Такие аппараты применяют также для проведения совмещенного процесса концентрирования и сушки. Диаметр аппаратов достигает 1 м при площади теплообмена до 12 м², окружная скорость вращения ротора с флажками - 5 м/с.

Роторно-пленочные аппараты позволяют благодаря осевому перемещению ротора регулировать толщину пленки (в случае конического корпуса) и тем самым скорость процесса, обеспечивая коэффициент теплопередачи не ниже, чем 2300...2700 Вт/(м²∙К), в то время как в пленочных аппаратах - 1500...1600 Вт/(м²∙К).