CC BY
141
There is a description of paper s production with usingpapermaking machines. The classification of papermaking machines' types is considering. The reasons of charts that show paper breaking causes are analyzed and possible ways of papermaking machines modernization are given.
Key words: papermaking machine, drive, shaft.
Pronina Ekaterina Vladimirovna, undergraduate, katia-proninaamail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 66.974.434
АНАЛИЗ НЕДОСТАТКОВ И ПУТЕЙ МОДЕРНИЗАЦИИ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ
Э.В. Боровкова, И.Б. Давыдов, Е.В. Пантюхина
Рассматривается применение различных выпарных аппаратов в промышленности, анализируются их недостатки и пути модернизации.
Ключевые слова: выпаривание, выпарной аппарат, теплопередача, концентрирование.
Тепловые процессы широко применяются в пищевой промышленности при производстве концентратов фруктовых соков, молока, сахара и целого ряда других продуктов. Они связаны с переходом тепла, которое переходит от одного вещества к другому или из одного геометрического пространства в другое [1, 2]. Особое место среди всех тепловых процессов занимает выпаривание, основным назначением которого является получение пищевых концентратов при сохранении физико-химических свойств их компонентов.
При выборе и проектировании выпарных аппаратов нужно стремиться к эффективной передаче тепла, а также учитывать и минимизировать потери [3]. Классификация выпарных аппаратов, применяемых в пищевой промышленности, представлена в работе [4].
Аппараты с горизонтальной поверхностью нагрева выгодно отличаются от вертикальных меньшей высотой слоя выпариваемого раствора и большим объемом парового пространства, что облегчает выпаривание в них сильно пенящихся растворов. Однако они более громоздки и металлоемки, непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб, имеют невысокие коэффициенты теплоотдачи.
В аппаратах с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар (греющий или первичный). Циркуляционная труба,
331
как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является жесткое крепление кипятильных труб.
Пленочные выпарные аппараты применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов. Их достоинствами является отсутствие гидростатической депрессии, малое гидравлическое сопротивление, высокий коэффициент теплопередачи, большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемых ими площадях, малая продолжительность контакта раствора с поверхностью теплообмена. Недостатками является чувствительность к неравномерности подачи исходного раствора и трудоемкость очистки поверхности нагрева [5].
Для повышения интенсивности циркуляции и коэффициента теплопередачи в последнее время стали применять аппараты с принудительной циркуляцией. Достоинствами являются высокие коэффициенты теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур, а недостатками - необходимость расхода энергии на работу насоса.
На рис. 1 представлен выпарной аппарат с естественной циркуляцией продуктов, который может быть использован в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности [3].
Рис. 1. Схема выпарного аппарата с естественной циркуляцией: 1 - выносная греющая камера; 2,6 - циркуляционные трубы; 3 - ловушка; 4,7 - патрубки; 5 - отделитель пара
332
Недостатком данного аппарата является относительно невысокая производительность из-за того то, что раствор совершает в отделителе пара вращательное движение и скорость такого движения не одинакова и тем меньше, чем ближе к центру отделителя пара. При движении раствора внутри конической ловушки происходит завихрение слоев раствора, которые движутся с большой скоростью и это снижает на входе в циркуляционную трубу скорость движения раствора. Кроме того, установка конической ловушки в отделителе снижает время выпадения пара, так как часть пути поток совершает внутри ловушки.
На рис. 2 изображено сечение модернизированного выпарного аппарата, в котором достигается увеличение производительности конструкции и улучшение циркуляции раствора следующим образом [6]. В выпарном аппарате с естественной циркуляцией на дне отделителя пара 3 устанавливают ловушку 2 в виде короба с вертикальными боковыми стенками дугообразной формы. Внутри ловушки установлены перегородки дугообразного вида, а верхняя стенка ловушки выполнена перфорированной. Смешение потоков, которые движутся с одинаковой скоростью, происходит на входе в циркуляционную трубу, благодаря чему скорость циркуляции не снижается. Внутри ловушки при движении раствора продолжается отделение пара, который попадает в пространство отделителя через отверстия в верхней поверхности ловушки. Производительность выпарного аппарата повышается за счёт того, что перфорированной верхней стенки ловушки.
A-A
Рис.2. Сечение выпарного аппарата A-A: 1,4 - циркуляционные трубы; 2 - ловушка; 3 - отделитель пара;
5 - выносная греющая камера
Таким образом, достигаемый результат заключается в повышении производительности, улучшении условий циркуляции и обеспечения отделения пара при движении продукта внутри перфорированной ловушки в виде короба с вертикальными боковыми стенками дугообразной формы.
333
На рис. 3 представлен выпарной аппарат для концентрирования растворов, который нашел применение в химической, фармацевтической, пищевой, и других отраслях промышленности. Недостатком аппарата является то, что нагревательные горизонтальные элементы, которые расположены в шахматном порядке, не обеспечивают организованный контур циркуляции продукта и тем самым эффективного процесса теплообмена между испаряемым продуктом и конденсирующимся паром. Поэтому существует необходимость устанавливать большое количество нагревательных элементов для развития интенсивности поверхности теплопередачи. Также, в зоне кипения наблюдается высокий уровень раствора, что приводит к заметным температурным потерям на гидростатический эффект и возможному перегреву, и, как следствие, к разложению термолабильных продуктов.
Рис. 3. Общий вид выпарного аппарата: 1 - корпус; 2 - горизонтальная перегородка; 3 - нагревательные элементы; 4, 6, 8, 9,11 - штуцера; 5,10 - трубные решетки;
7 - коллектор подвода и распределения греющего пара
Для устранения недостатка необходимо обеспечить эффективный теплообмен в процессе выпаривания, устранить перегрев раствора и возможное термическое разложение продуктов, создав организованный поток циркуляции продукта у поверхностей теплопередачи в зоне кипения, и снизить температурные потери до минимума на гидростатический эффект.
Поставленная задача достигается в модернизированном выпарном аппарате, представленном на рис. 4 [7]. В данном аппарате, нагревательные элементы, имеющие плоскоовальную форму, жестко закреплены по торцам в трубные решетки коллекторов для отвода конденсата и подвода греющего пара секциями по три штуки в каждой с соотношением зазоров между секциями к зазорам между элементами, равным 2,5. Расположение большой оси элементов является вертикальным. При эксплуатации необходимо соблюдать расстояния между нагревательными элементами и горизонтальной перегородкой и поддерживать высоту уровня раствора над верхними овальными нагревательными элементами.
334
Эффективность теплообмена в модернизированном теплообменнике достигается организацией его активной циркуляции у наружной поверхности нагревательных плоскоовальных элементов благодаря их секционированному расположению.
Рис. 4. Поперечный разрез модернизированного аппарата: 1 - горизонтальная перегородка; 2 - нагревательные элементы;
3 - штуцер
На рис. 5 показана схема механизма организованной циркуляции кипящего раствора вместе с вторичными парами в зазоре между элементами секции вверх и в зазоре между секциями вниз из-за существенной разности плотностей восходящего и нисходящего потоков.
Рис.5. Схема механизма организованной циркуляции: 1 - горизонтальная перегородка; 2 - нагревательные элементы
335
Возникновение разности плотностей за счет образующегося вторичного пара обусловлено тем, что поверхность теплообмена, приходящаяся на единицу объема раствора в зазоре между плоскоовальными элементами в несколько раз больше, чем в зазоре между секциями.
Для устранения перегрева концентрируемого раствора и температурных потерь на гидростатический эффект высота слоя продукта на горизонтальной перегородке должна поддерживаться размерами трубной решетки таким образом, чтобы уровень раствора над верхними овалами нагревательных элементов соответствовал величине зазоров между элементами.
Таким образом, для создания производительной конструкции выпарного аппарата, обеспечивающей интенсивное и эффективное выпаривание различных веществ в пищевой и других отраслях промышленности, необходимо совместное использование рассмотренных путей модернизации выпарного аппарата.
Список литературы
1. Клименова Н.А., Пантюхина Е.В., Пантюхин О.В. Анализ тепловых процессов нагревания и теплопередачи через плоскую стенку тепло-обменных аппаратов с изоляцией// Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 296-303.
2. Давыдова Е.В., Ганков Е.А. Анализ и проблемы процесса нагрева мезги в теплообменных аппаратах// Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2016. Вып. 7. Ч. 2. С. 203-210.
3. Боровкова Э.В., Клименова Н.А. Анализ процесса выпаривания // В сборнике: Инновационные подходы в современной науке. Материалы Международной (заочной) научно-практической конференции; под общей редакцией А.И. Вострецова. г. Нефтекамск, Республика Башкортостан, Российская Федерация, 2017. С. 54-58.
4. Боровкова Э.В., Пантюхина Е.В. Анализ различных методов процесса выпаривания и конструкций выпарных аппаратов // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Материалы Междунар. научно-техн. конф. «АПИР-22»; под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. С. 21-27.
5. Боровкова Э.В. Анализ недостатков выпарных аппаратов // В сборнике: Современная наука: вопросы теории и практики. Материалы Международной (заочной) научно-практической конференции; под общ. ред. А.И. Вострецова. г. Нефтекамск, Республика Башкортостан, Российская Федерация , 2018. С. 8-12.
6. Пат. 2292935 РФ. Выпарной аппарат/Чеботарев Е.А., Нестеренко П.Г., Дубиков Д.А.; Заяв. 25.04.2005. Опубл. 10.02.2007. Бюл. №4.
336
7. Пат. 4331 BU. Выпарной аппарат для концентрирования растворов/Ершов А.И., Плехов И.М., Лунчук Ю.П.; Заяв. 20.05.2000. Опубл. 30.03.2002. Бюл. №10.
Боровкова Элеонора Владимировна, бакалавр, eleonora. borovkova@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Давыдов Иван Борисович, технический эксперт, svoryi@gmail. com, Россия, Краснодар, ООО GEA,
Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доц., elen-davidova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
GAP ANALYSIS AND WAYS OF MODERNIZATION EVAPORATOR E.V. Borovkova, I.B. Davydov, E.V. Pantyukhina
Application of various evaporators in industry is considered, their shortcomings and ways of modernization are analyzed.
Key words: evaporation, evaporation apparatus, heat transfer, concentration.
Borovkova Eleonora Vladimirovna, bachelors, eleonora. borovkova@yandex. ru, Russia, Tula, Tula state university.
Davydov Ivan Borisovich, technical expert, svoryi@gmail. com, Russia, Krasnodar, 000 "GEA",
Pantyukhina Elena Viktorovnа, candidate of technical science, docent, elen-davidova@,mail. ru, Russia, Tula, Tula state university
