Автор: руководитель отдела разработки HRS Heat Exchangers Арнольд Клейн (Arnold Kleijn)
Термическая обработка является неотъемлемой частью производства продуктов питания. Можно быть уверенным, что большинство производителей продуктов питания будут использовать теплообменники для обеспечения заданных требований такой обработки, будь то приготовление продукта, пастеризация, стерилизация, нагрев или охлаждение. Тем не менее, учитывая различный характер задач, крайне важно, чтобы производители могли выбрать подходящий теплообменник для своих индивидуальных потребностей.
На рынке представлены разные типы теплообменников: пластинчатые, трубчатые, со спиральной накаткой труб, скребковые и т. д. Каждый из них подходит для конкретного применения. Поэтому необходимо тщательно проанализировать технологический процесс, в том числе характер нагреваемой или охлаждаемой среды, цель процесса (например, нагрев или пастеризация) и любые ограничения, накладываемые условиями эксплуатации теплообменника.
Теплопередача возникает как результат разности температур между двумя средами (часто, но не всегда, жидкостями). В случае гладкотрубного теплообменника температура двух простых жидкостей, таких как вода и молоко, изменяется при прохождении через теплообменник. Одной из причин создания теплообменников со спиральной накаткой труб и скребковых теплообменников стала необходимость обработки жидкостей и материалов со сложными свойствами, в том числе вязких и неньютоновских жидкостей (например, заварные кремы и соусы) или продуктов, содержащих частицы/кусочки (например, фруктовое пюре). При выборе подходящего теплообменника необходимо учесть особенности подлежащей обработке жидкости. Рекомендуется обратиться за профессиональным советом к производителям оборудования и их представителям, которые помогут сделать правильный выбор.
После выбора оптимального типа теплообменника производитель пищевых продуктов должен убедиться, что предлагаемая поставщиком модель имеет подходящий для конкретных задач размер. Другими словами, она должна обеспечивать требуемый уровень теплопередачи для обрабатываемой жидкости или жидкостей и заданную пропускную способность. Теплообменник должен иметь достаточно большую площадь теплообмена, чтобы поддерживать заданные температуры указанных жидкостей на входе и выходе. В большинстве расчетов также должны учитываться такие переменные, как работа теплообменника в режиме противотока с использованием встречного или параллельного потока.
Другим важным фактором, определяющим эффективность теплопередачи, является сопротивление тепловому потоку различных «слоёв», образующих барьер между двумя жидкостями. Этих слоёв пять:
Значения сопротивления для слоёв с номерами 2 и 4 обычно могут быть получены лишь от заказчика на основании практического опыта. В то же время, расчетчик теплообменного оборудования выбирает размер, толщину и материал трубы в соответствии с техническим заданием. Сопротивление тепловому потоку, вызванное слоями 1 и 5 (также известное как частичные коэффициенты теплопередачи), зависит как от природы жидкостей, так и от геометрии поверхностей теплообмена.
Один из способов борьбы с образованием этих слоёв – увеличение скорости потока жидкости в теплообменнике. В результате создаётся турбулентность, и пограничный слой отрывается от поверхности трубы. Подразумевается, что так называемый ламинарный поток (жидкость течёт ровными слоями, где самый близкий к центру слой движется с большей скоростью, чем самый близкий к поверхности) становится турбулентным потоком (жидкость не течёт ровными слоями, а смешивается или образует завихрения).
Скорость этого процесса зависит от множества разных факторов, но для её количественной оценки при расчётах теплообменников инженеры используют так называемое число Рейнольдса. Оно определяется диаметром трубы, весовой скоростью жидкости и ее вязкостью. Числа Рейнольдса менее 2100 описывают ламинарные потоки, а числа выше 10000 описывают полностью турбулентные потоки. Между этими двумя значениями находится область неопределённости, также называемая переходной зоной. Здесь наблюдается переходное состояние потока от полностью ламинарного до полностью турбулентного. На практике инженеры стараются предлагать решения за пределами этой зоны. Искажение формы трубы, наподобие спиральной накатки, помогает повысить характеристики теплопередачи после входа в область турбулентного потока (число Рейнольдса > 2100). Это основная причина использования теплообменников со спиральной накаткой труб.
Однако не менее важно, чтобы увеличение турбулентности в потоке жидкости не создавало проблем с самим продуктом. Например, чрезмерная турбулентность соуса для пиццы может сделать его слишком жидким и непригодным для использования. В таких случаях теплообменники со спиральной накаткой труб непригодны, вместо них следует использовать скребковые теплообменники, оптимизируя скорость скребка таким образом, чтобы исключить нежелательные напряжения сдвига. В свою очередь, для их расчёта необходима другая методика, хотя тепловые и физические свойства продукта остаются неизменными.
Как и любая другая наука, математика и термодинамика продолжают развиваться и совершенствоваться. Однако возраст большинства литературных источников, обычно используемых для конструкторских расчётов и моделирования теплообменников, может достигать 80 лет. Они не всегда отражают современные тенденции и достижения в науке. Кроме того, несмотря на обилие научной литературы о поведении жидкостей в гладких трубах и трубах со спиральной накаткой, информации о скребковых теплообменниках катастрофически не хватает.
Используя практический опыт и последние научные исследования, компания HRS разработала новое современное программное обеспечение, которое наши специалисты используют для расчёта необходимого размера теплообменников. Программа уже принесла первые плоды и некоторые интересные результаты. Она позволяет по-новому взглянуть на процесс разработки трубчатых и скребковых теплообменников, которые будут обеспечивать наилучшие показатели производительности.
