RU2110181C1

RU2110181C1 - Multichannel regenerative tubular heat-exchanger for thermal treatment of food liquids

Info

Publication number: RU2110181C1
Application number: RU96113077A
Authority: RU
Inventors: М.Д. Федоров
Original assignee: Московский машиностроительный завод молочного оборудования "Молмаш"
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1998-05-10

Abstract

FIELD: food-processing industry, in particular, thermal treatment of milk and other food liquids. SUBSTANCE: heat-exchanger has casing with inlet and outlet branch tubes for intertubular heat-carrier and liquid under treatment and bundle of heat-exchanging tubes. Some tubes are arranged in "tube-in-tube" pattern to provide regeneration. Ends of single and outer heat-exchanging tubes are embedded in tube boards. Ends of inner tubes of "tube-in-tube" system extend through flexible tube gaskets, tube plates and flexible end gasket, which are pressed by end covers and provided with branches for introduction and discharge of treated liquid to tube boards. Construction of heat-exchanger allows circulation in-flow washing and easy dismantling and washing in manual mode of operation. EFFECT: increased efficiency, simplified construction and enhanced reliability in operation. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к молочной и пищевой промышленности, а именно к теплообменникам для тепловой обработки молока, сливок и других пищевых жидкостей. The invention relates to the dairy and food industries, namely to heat exchangers for the heat treatment of milk, cream and other food liquids.

Известен многоходовой кожухотрубный теплообменник, выбранный в качестве прототипа, содержащий цилиндрический корпус со слоем теплоизоляции, поперечные перегородки, размещенные в корпусе, патрубки для ввода и вывода межтрубной среды, пучка теплообменных труб, их концы заделаны в трубные доски, к которым торцевыми крышками прижаты эластичные прокладки, имеющие выемки, соединяющие две или несколько соседних труб, и патрубки для ввода и вывода трубной среды. Known multi-pass shell-and-tube heat exchanger, selected as a prototype, containing a cylindrical body with a layer of thermal insulation, transverse partitions placed in the body, nozzles for input and output of the annular medium, the bundle of heat transfer pipes, their ends are sealed in tube boards to which elastic gaskets are pressed with end caps having recesses connecting two or more adjacent pipes, and nozzles for input and output of the pipe medium.

Недостатком данной конструкции теплообменника, используемого для пастеризации пищевых продуктов, является отсутствие регенерации тепла при тепловой обработке продукта и вследствие этого повышенный расход межтрубного теплоносителя. Используя данную конструкцию теплообменника для пастеризации продуктов, необходимо привлекать дополнительное теплообменное оборудование для проведения регенеративного теплообмена, что неизбежно приводит к увеличению гидравлических потерь и массогабаритных характеристик всей установки. The disadvantage of this design of the heat exchanger used for pasteurization of food products is the lack of heat recovery during heat treatment of the product and, as a result, the increased flow rate of the annular coolant. Using this design of the heat exchanger for pasteurization of products, it is necessary to attract additional heat exchange equipment for regenerative heat transfer, which inevitably leads to an increase in hydraulic losses and overall dimensions of the entire installation.

Цель изобретения - реализация более эффективного процесса теплообмена, улучшение энергетических и массогабаритных характеристик установок, содержащих устройства для тепловой обработки жидких пищевых продуктов. The purpose of the invention is the implementation of a more efficient heat transfer process, improving the energy and weight and size characteristics of plants containing devices for heat treatment of liquid food products.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом теплообменнике осуществляются последовательно процессы нагрева и пастеризации жидкого пищевого продукта, а также частичная регенерация его тепла. Для этого многоходовой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус со слоем теплоизоляции, внутри которого находятся перегородки, и патрубки для ввода и вывода межтрубного теплоносителя, снабжен пучком сообщающихся между собой теплообменных труб, по которым проходит трубная среда, часть из них выполнена по принципу "труба в трубе", где кольцевой промежуток между внутренней и внешней трубой служит для прохода нагреваемой, а внутренняя труба для прохода охлаждаемой трубной среды; концы одиночных и внешних из элементов "труба в трубе" теплообменных труб закреплены в отверстиях трубных досок, соединенных с цилиндрическим корпусом теплообменника, и уплотнены прижатыми к трубным доскам трубными эластичными прокладками, имеющими выемки, общие для двух или более соседних труб и служащие для перетока нагреваемой трубной среды, и отверстия для прохода и уплотнения внутренних теплообменных труб из элементов "труба в трубе", концы которых проходят через прижатые с помощью торцевых крышек, имеющих патрубки для ввода и вывода охлаждаемой трубной среды, к трубной доске две трубные решетки и уплотняющую трубную эластичную прокладку, к торцевой уплотняющей эластичной прокладке, имеющей выемки для двух или более соседних труб, и служащих для перетока охлаждаемой трубной среды. This goal is achieved by the fact that in the proposed heat exchanger, the heating and pasteurization of the liquid food product, as well as the partial regeneration of its heat, are carried out sequentially. For this, a multi-pass heat exchanger containing a cylindrical body with a layer of thermal insulation, inside of which there are partitions, and nozzles for introducing and outputting the annular heat carrier, is equipped with a bunch of heat-exchange pipes communicating with each other through which the pipe medium passes, some of them are made according to the principle "pipe in pipe ", where the annular gap between the inner and outer pipe serves for the passage of the heated, and the inner pipe for the passage of the cooled pipe medium; the ends of the heat exchanger tubes, single and external of the tube-in-tube elements, are fixed in the openings of the tube plates connected to the cylindrical body of the heat exchanger, and are sealed by elastic pipe spacers pressed to the tube sheets, having recesses common to two or more adjacent pipes and serving to transfer the heated pipe medium, and openings for the passage and sealing of internal heat transfer pipes from the pipe-in-pipe elements, the ends of which pass through the pressure caps with end caps having nozzles for input and output and cooled medium tube to tubesheet two tubesheets and tube elastic sealing gasket against the end elastic sealing gasket having recesses for two or more adjacent tubes and serving for overflow pipe cooled environment.

Количество элементов "труба в трубе" должно быть больше числа одиночных теплообменных труб из пучка примерно в 4 - 5 раз, если в качестве межтрубного теплоносителя используется пар, для того чтобы температура охлаждаемой трубной среды всегда была больше температуры нагреваемой трубной среды в элементах пучка "труба в трубе" и таким образом не изменялось направление переноса теплового потока. The number of pipe-in-pipe elements should be about 4 to 5 times greater than the number of single heat-transfer pipes from the bundle if steam is used as the annular heat transfer medium so that the temperature of the cooled pipe medium is always higher than the temperature of the heated pipe medium in the pipe bundle elements in the pipe "and thus the direction of heat flux transfer did not change.

Патрубки ввода и вывода охлаждаемой трубной среды смогут быть выполнены за одно целое с торцевой крышкой, а углубления в эластичных прокладках для перетоков трубной среды могут иметь форму выемок, обеспечивающих плавный поворот потоков на 180^o для уменьшения гидравлических потерь. Теплообменник хорошо промывается при циркуляционной мойке в потоке, при необходимости легко и полностью разбирается и каждая из входящих в его состав деталей, контактирующих с трубной средой, может быть промыта в ручном режиме.The nozzles of the input and output of the cooled pipe medium can be made in one piece with the end cap, and the recesses in the elastic gaskets for the overflow of the pipe medium can be in the form of recesses, providing a smooth rotation of the flows by 180 ^o to reduce hydraulic losses. The heat exchanger is well washed during circulation washing in the stream; if necessary, it is easily and completely disassembled, and each of its parts in contact with the pipe medium can be washed manually.

На фиг. 1 изображен разрез предлагаемого теплообменника; на фиг. 2 - соответственно разрезы А-А, Б-Б, В-В теплообменника. In FIG. 1 shows a section of the proposed heat exchanger; in FIG. 2 - respectively, sections aa, bb, bb of the heat exchanger.

Теплообменник содержит цилиндрический корпус 1 со слоем теплоизоляции 2, имеющий патрубки 3 и 4 ввода и вывода межтрубной среды, трубные доски 5, в которых закреплены теплообменные трубы 6 и 7, прокладки 8 - 10 из эластичного материала, трубные решетки 11 и 12, торцевые крышки 13, имеющие патрубки ввода 14 и вывода 15 охлаждаемой трубной среды. На одной из труб 6 выполнен патрубок 16 ввода нагреваемой трубной среды, а на одной из труб 7 - патрубок 17 ее вывода. Эластичные прокладки 8 и 10 имеют выемки 18 и 19, соединяющие рядом расположенные трубы и служащие для перетока соответственно нагреваемой и охлаждаемой трубной среды. Эластичные прокладки 10 имеют также выемки 29, соединяющие рядом расположенные трубы и служащие для ввода или вывода охлаждаемой трубной среды соответственно через патрубки 15 и 14, расположенные на крышках 13. Торцевые крышки 13 с помощью хомутов 20 прижимают к трубным доскам 5 эластичные прокладки 10, 9 и 8 и трубные решетки 11 и 12, обеспечивая с помощью конических выступов 21 и 22 в эластичных прокладках 8 и 9 уплотнение трубного потока, протекающего в трубах 6, 7 и трубе 23. Трубные решетки 11 и 12 имеют с одной стороны своей поверхности конические выемки 24 и 25, повторяющие по форме выступы 20 и 21 в прокладках 8 и 9, но имеющие несколько меньшую глубину, которые при прижиме торцевых крышек 13 к трубным доскам 5 обеспечивают надежную герметичность пространства, с другой стороны своей поверхности имеют выфрезированные канавки 26 глубиной 1,0 - 1,5 мм, проходящие произвольным образом через все отверстия в трубных решетках 11 и 12. Создаваемый канавками 26 зазор позволяет контролировать герметичность уплотнений в трубных решетках 11 и 12 и благодаря сообщению его с атмосферой полностью исключает возможность контакта теплообменивающихся потоков нагреваемой и охлаждаемой трубной среды в результате случайной разгерметизации соединений в трубной решетке. Внутри цилиндрического корпус 1 в межтрубном пространстве 27 размещены перегородки 28, в которых выполнены в виде сегментов окна, равные по площади проходному сечению патрубка 3, через который подается межтрубный теплоноситель. Перегородки 28 с окнами располагаются в межтрубном пространстве 27 таким образом, чтобы обеспечить зигзагообразное движение межтрубного теплоносителя. The heat exchanger contains a cylindrical body 1 with a layer of thermal insulation 2, having nozzles 3 and 4 of the input and output of the annular medium, tube boards 5, in which the heat exchange tubes 6 and 7 are fixed, gaskets 8 - 10 made of elastic material, tube sheets 11 and 12, end caps 13, having nozzles for input 14 and output 15 of the cooled pipe medium. On one of the pipes 6, a pipe 16 for introducing a heated pipe medium is made, and on one of the pipes 7 there is a pipe 17 for its output. The elastic gaskets 8 and 10 have recesses 18 and 19, connecting adjacent pipes and serving to transfer respectively heated and cooled pipe medium. The elastic gaskets 10 also have recesses 29 connecting adjacent pipes and serving for the input or output of the cooled pipe medium through pipes 15 and 14, respectively, located on the covers 13. The end caps 13 are pressed by elastic clamps 20 onto the planks 5 of the elastic gaskets 10, 9 and 8 and the tube sheets 11 and 12, providing, with the help of the conical protrusions 21 and 22 in the elastic gaskets 8 and 9, a seal for the pipe stream flowing in the pipes 6, 7 and the pipe 23. The tube sheets 11 and 12 have conical recesses on one side of their surface 24 and 25, repeating in shape the protrusions 20 and 21 in the gaskets 8 and 9, but having a slightly lower depth, which, when the end caps 13 are pressed against the tube plates 5, provide reliable tightness of the space, on the other side of their surface they have grooves 26 with a depth of 1.0 - 1.5 mm, passing randomly through all holes in the tube sheets 11 and 12. The gap created by the grooves 26 allows you to control the tightness of the seals in the tube sheets 11 and 12 and, thanks to its communication with the atmosphere, completely eliminates the possibility contact of heat exchanging flows of the heated and cooled pipe medium as a result of accidental depressurization of compounds in the tube sheet. Inside the cylindrical body 1 in the annular space 27 there are partitions 28 in which are made in the form of window segments, equal in area to the passage section of the nozzle 3 through which the annular coolant is supplied. Partitions 28 with windows are located in the annular space 27 in such a way as to provide a zigzag movement of the annular coolant.

Рассмотрим работу теплообменника при его использовании для пастеризации молока или тепловой обработки какого-либо другого жидкого продукта. Consider the operation of a heat exchanger when it is used to pasteurize milk or heat treat any other liquid product.

Продукт на тепловую обработку подается через входной патрубок 16 и одним или несколькими параллельными потоками протекает сначала через все кольцевые зазоры 30, образованные теплообменными трубами 6 и 23, а затем через все одиночные теплообменные трубы 7. На выходе продукт разделяется на два параллельных потока в теплообменной трубе 6, на которой выполнен патрубок 16. Из одного кольцевого зазора 30 или из одной трубы 7 в другую продукт перетекает через выемки 18 в эластичных прокладках 8. В одной из труб потоки (если их несколько) соединяются и выводятся через выполненный на этой трубе выходной патрубок 17. The product for heat treatment is fed through the inlet pipe 16 and, with one or more parallel flows, flows first through all the annular gaps 30 formed by the heat exchange tubes 6 and 23, and then through all the single heat exchange tubes 7. At the outlet, the product is divided into two parallel flows in the heat exchange tube 6, on which the nozzle 16 is made. From one annular gap 30 or from one pipe 7 to another, the product flows through the recesses 18 in the elastic gaskets 8. In one of the pipes, the flows (if there are several of them) are connected and dyatsya through an outlet 17 formed on this pipe.

Прошедший тепловую обработку продукт, вышедший из патрубка 17, в горячем состоянии подается в патрубок ввода 14, расположенный на одной из торцевых крышек 13, который сообщается с выемкой 29, в эластичной прокладке 10, в которой горячий продукт разделяется (по количеству параллельных потоков, подаваемых на тепловую обработку) на несколько параллельных потоков и протекает через все теплообменные трубы 23, нагревая через стенку этой трубы протекающий по кольцевому зазору 30 холодный продукт. Из одной трубы 23 в другую горячий продукт перетекает через выемки 19 в эластичной прокладке 10. После прохождения потоком всех теплообменных труб 23 они соединяются в выемке 29 в один поток и выводятся из теплообменника через патрубок 15, расположенный на крышке 13. Подача продукта в теплообменник на тепловую обработку через штуцер 16 и подача на охлаждение горячего продукта через штуцер 14 выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось движение теплоносителей в элементах пучка "труба в трубе" по схеме противотока. The heat-treated product exiting the nozzle 17 is hot fed into the inlet nozzle 14 located on one of the end caps 13, which communicates with the recess 29, in an elastic gasket 10 in which the hot product is separated (by the number of parallel flows supplied for heat treatment) into several parallel flows and flows through all heat exchange pipes 23, heating the cold product flowing through the annular gap 30 through the wall of this pipe. From one pipe 23 to another, the hot product flows through the recesses 19 in the elastic gasket 10. After all the heat exchange pipes 23 have passed through the stream, they are connected in the recess 29 into one stream and are removed from the heat exchanger through the pipe 15 located on the cover 13. The product is fed into the heat exchanger on heat treatment through the nozzle 16 and the supply of hot product for cooling through the nozzle 14 are selected in such a way as to ensure the movement of coolants in the elements of the tube-in-tube bundle according to the counterflow scheme.

Межтрубный теплоноситель (например, пар) подается в патрубок 3 и через окна в перегородках 28 движется зигзагообразно по секциям корпуса 1 теплообменника. Контактируя с поверхностью труб 6 и 7, теплоноситель нагревает протекающий в кольцевом зазоре 30 и трубе 7 продукт и выводится через патрубок 4. The annular coolant (for example, steam) is supplied to the pipe 3 and through the windows in the partitions 28 moves in a zigzag fashion along the sections of the heat exchanger body 1. Contacting with the surface of the pipes 6 and 7, the heat carrier heats the product flowing in the annular gap 30 and the pipe 7 and is discharged through the pipe 4.

Claims

1. A multi-way regenerative tubular heat exchanger for heat treatment of food liquids, containing a cylindrical body, inside of which there are partitions, with a layer of thermal insulation and nozzles for input and output of the annular medium, a bundle placed in the housing communicated between each other by heat exchange tubes fixed in the holes of the tube plates, end lids through elastic gaskets having recesses for overflowing the heated pipe medium from pipes of one stroke to pipes of another, attached to pipe boards and nozzles for water supply and the output of the pipe medium connected to the respective heat transfer pipes, characterized in that part of the heat transfer pipes is made in the form of pipe-in-pipe type elements, and at the ends of the internal pipes between elastic gaskets attached to the pipe boards and end caps having nozzles for the input and output of the heating pipe medium, two tube sheets, an elastic pipe lining and a gasket with recesses for overflowing the heating pipe medium from pipes of one stroke to pipes of another are installed.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the pipe elastic gaskets on the side of the tube sheets have conical protrusions that seal the heat exchanger tubes internal from the pipe-in-pipe elements, and the pipe lattices on the pipe side of the elastic gaskets have conical recesses that repeat in shape conical protrusions in pipe elastic gaskets, but having a slightly shallower depth.

3. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the tube sheets have, on their surfaces facing each other, milled grooves with a depth of 1.0-1.5 mm, passing randomly through all openings in the tube sheets.