Устройство для пленочного охлаждения жидких пищевых продуктов

 

Изобретение относится к пищевой, молочной, пивоваренной, бродильной, консервной промышленности. Устройство для пленочного охлаждения жидких пищевых продуктов содержит вертикальные оребренные снаружи и внутри трубы и ванну с щелевыми распределителями для подачи жидкого продукта на трубы в виде пленки. Оребрение на внутренней поверхности вертикальных труб выполнено в виде расположенных последовательно по окружности вертикальных каналов конической и овальной формы. Параметры каналов определены по определенным зависимостям. Технический результат заключается в повышении производительности устройства за счет интенсификации теплообмена между жидким продуктом и кипящим хладагентом. 6 ил.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к вертикально-трубным пленочным охладителям жидкости, в том числе молока, сиропов и других жидких пищевых продуктов, и может быть использовано в молочной, пивоваренной, бродильной, консервной промышленности, а также в химическом и других производствах.

Известно устройство для пленочного охлаждения жидких продуктов, содержащее вертикальный пленочный теплообменник, коллектор, распределительную решетку, установленную с возможностью кольцевого вращения, приемную камеру. Жидкость "а" переменного расхода, содержащая твердые включения, поступает в коллектор, направляется в распределительную решетку, стекает пленкой по трубам и отводится из аппарата. Жидкость "в" подводится в межтрубное пространство (SU 172424 A, F 28 D 3/00, 23.03.92). К недостаткам этого устройства относится относительно невысокая теплоотдача через стенку.

Известна труба теплообменника с внутренним оребрением, в которой для снижения гидравлического сопротивления оребрение выполнено в виде полуколец, расположенных по длине трубы, в шахматном порядке (SU 443243, F 28 F 1/40, 15.12.74). Недостатком этого устройства является то, что на поверхности трубы и на оребрении отсутствуют центры парообразования, что не обеспечивает возможности резкого увеличения поверхности испаряющихся микропленок жидкости.

Известно устройство для пленочного охлаждения жидких пищевых продуктов, содержащее теплообменную поверхность из вертикальных труб с патрубками для подвода хладагента и отвода его паров, ванну с щелевыми распределителями для приема и подачи продукта на охлаждающую поверхность (SU 366332, F 28 D 3/02, 09.03.73). Это устройство является наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату. Но недостатком его является невысокий коэффициент теплопередачи через стенку от хладагента продукту, а вследствие этого и невысокая производительность.

Таким образом, производительность существующих аппаратов для пленочного охлаждения жидких пищевых продуктов лимитируется интенсивностью кипения хладагента в вертикальных трубах при пленочном течении жидкого хладагента и отводе образующегося пара от поверхности труб. Кроме того, при увеличении высоты теплообменных труб и снижении расхода хладагента (или увеличении тепловой нагрузки) происходит смещение и закручивание пленки относительно вертикальной оси (так называемый эффект Марагони), в результате чего на внутренней поверхности трубы образуются сухие пятна, и интенсивность теплоотвода резко падает из-за снижения общего коэффициента теплопередачи через теплообменную поверхность.

Заявленное изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении производительности устройства за счет интенсификации процесса кипения хладагента внутри вертикальных труб. При этом устраняется возможность проявления эффекта Марагони, обеспечивается капиллярное удерживание жидкости между ребрами и формирование на поверхности теплообмена центров парообразования в местах максимального прогрева пленки жидкого хладагента.

Для достижения этого технического результата устройство для пленочного охлаждения жидких пищевых продуктов, содержащее теплообменную поверхность из вертикальных труб с патрубками для подвода хладагента и отвода его паров, ванну с щелевыми распределителями для приема и подачи продукта на охлаждающую поверхность, отличается тем, что устройство снабжено ванной приема охлажденного продукта, а трубы снаружи и внутри имеют оребрение, при этом оребрение на внутренней поверхности труб выполнено в виде расположенных последовательно по окружности вертикальных каналов конической и овальной формы, оси которых параллельны вертикальной оси трубы, при этом у каналов конической формы ширину b и высоту ребра h выполняют равной от 0,05 до 0,2 внутреннего диаметра трубы d, притом, что вершина угла раскрытия конического канала опирается на диаметр d и этот угол равен 45 градусам, а угол между осями конических каналов определяется по зависимости: = 360(b+b₁)/d (1) где b₁ характеризует значение дуги на фиг.6 и определяется по формуле: где - постоянная величина, равная 3,14, - поверхностное натяжение жидкого хладагента, Н/м, g - ускорение сил тяжести, м/с², , - плотность жидкого хладагента и его пара соответственно, кг/м³; d - диаметр трубы (по фиг.6), причем в овальных каналах радиус закругления R1 должен быть не более значения R_ном, определяемого по формуле:
R_ном= {(2T_o)/(r_oT)} (3)
где r₀ - скрытая теплота кипения хладагента, кДж/кг,
T - температурный напор на внутренней поверхности трубы, К,
T = = T_ст - T₀,
T_ст - температура внутренней поверхности стенки трубы, К,
T₀ - температура кипения жидкого хладагента, К.

Выполнение оребрения внутренней поверхности трубы в виде последовательно размещенных по окружности вертикальных каналов конической и овальной формы, оси которых параллельны вертикальной оси трубы, позволяет распределить пленки стекающей жидкости на ряд параллельно стекающих струек, у которых обеспечивается в конических каналах максимальный перегрев пленки и наилучшие условия отрыва паровых пузырьков из пленки; каналы овальной формы предотвращают появление сноса пленки (ее вращение) относительно поверхности, что делает течение пленки более устойчивым, в углах конических ребер и в закруглениях овальных ребер используется капиллярный эффект удерживания жидкости у поверхности.

Выполнение конфигурации ребер в соответствии с рекомендациями зависимостей (1)-(3) отражает учет указанных выше явлений, высота ребра h связана с величиной массового расхода хладагента и высотой теплообменной поверхности трубы H, а также с минимально допустимой толщиной пленки жидкого хладагента в нижней части трубы.

На фиг. 1 приведен поперечный разрез устройства, представленного в виде принципиальной схемы; на фиг.2 показан разрез A-A; на фиг.3 - разрез B-B; на фиг.4 - фрагмент трубы 1 по D-D; на фиг.5 - сечение трубы 1 по C-C; на фиг.6 - фрагмент сечения C-C по месту K.

Данное устройство (см.фиг.1-6) содержит теплообменную поверхность из вертикальных труб 1, имеющих внешние ребра 2 и внутреннее оребрение 3, патрубки 4, 5 соответственно подвода жидкого хладагента и отвода его паров, ванну 6 с щелевыми распределителями 7 для приема и подачи продукта на охлаждающую поверхность, ванну 8 для приема охлажденного продукта, патрубки 9, 10 подвода и отвода продукта. Устройство оснащено внешними ограждениями.

Оребрение 3 на внутренней поверхности труб 1 выполнено в виде расположенных последовательно по окружности вертикальных каналов 12, 13 соответственно конической и овальной формы, оси которых параллельны вертикальной оси трубы (фиг.6).

У каналов конической формы ширину b и высоту ребра h выполняют равной от 0,05 до 0,2 внутреннего диаметра трубы d, притом, что вершина угла раскрытия конического канала опирается на диаметр d и этот угол равен 45 градусам, а угол между осями конических каналов 12 определяется по зависимости
= 360(b+b₁)/d (1)
где b₁ характеризует значение дуги 14 и определяется по формуле

- постоянная величина, равная 3, 14;
- поверхностное натяжение жидкого хладагента, Н/м;
g - ускорение сил тяжести, м/с²;
, - плотность жидкости и пара соответственно, кг/м³;
причем в овальных каналах 13 радиус закругления R1 должен быть не более значения R_ном, определяемого по формуле

где r₀ - скрытая теплота кипения хладагента, кДж/кг,
T - температурный напор на внутренней поверхности трубы, К,
T_ст - температура внутренней поверхности трубы, К
T₀ - температура кипения хладагента, К.

Продукт образует на трубах пленку 15, а хладагент - пленку 16.

Данное устройство по фиг.1-6 работает следующим образом.

Теплый жидкий продукт (фиг. 1) через патрубок 9 поступает в ванну 6 и через распределители 7 поступает на наружную теплопередающую поверхность труб 1 и наружных ребер 2 (фиг.2). Продукт в виде пленки 15 по трубам 1 и ребрам 2 стекает в нижнюю часть устройства, в процессе отекания охлаждается и поступает в ванну 8, откуда через патрубок 10 выводится из устройства для дальнейшего использования.

Жидкий хладагент через патрубки 4 (фиг.3, 4) подается в верхнюю часть вертикальных труб 1 и стекает в виде пленки 16 между ребрами, при этом пар хладагента выводится из пленки 16 и отводится из нижней части труб через патрубок 5. На начальном участке течения толщина пленки жидкого хладагента превышает высоту оребрения 3, чтобы обеспечить заполнение конических и овальных каналов. По мере гравитационного движения пленки 16 жидкого хладагента и ее выкипания толщина пленки уменьшается, и жидкость остается внутри конических и овальных каналов 12, 13.

Вследствие обусловленного разделения окружности трубы на количество конических каналов (фиг.5, 6) по числу их осей m=360: , где определяется по зависимости (1), формирования конических каналов с шириной b, определенной по зависимости (2), и высотой h, равных от 0,05 до 0,2 внутреннего диаметра трубы d, с вершиной угла раскрытия конуса 45 градусов, у внутренней поверхности конусного канала формируется зона концентрации теплового потока, направленного от ребер к пленке жидкости. Поэтому формирующиеся в основании конического канала 12 пузыри пара интенсивно отрываются от стенок канала, что обеспечивает развитое кипение, характеризуемое высокими значениями коэффициента теплоотдачи.

Выполнение в овальных каналах 13 радиусов закруглений размером R1 не более значения радиуса Rном, определяемого по зависимости (3), позволяет использовать эти закругления для формирования паровых пузырей и их вывода из канала 13 и пленки, поскольку радиус R1 превышает величину критического радиуса парового зародыша, что и способствует образованию паровых пузырей. Тем самым обеспечивается интенсификация теплообмена и эффективное использование площади поверхности теплопередачи в заявляемом устройстве.

Таким образом, данное устройство для пленочного охлаждения жидких пищевых продуктов по сравнению с известными позволяет повысить производительность устройства вследствие сокращения продолжительности охлаждения продукта путем интенсификации теплообмена между жидким продуктом и кипящим хладагентом вследствие изменения конфигурации внутреннего оребрения теплообменных труб, при которой исключается срыв пленки, возникновение эффекта Марагони и появление сухих пятен на поверхности теплопередачи.

Формула изобретения

Устройство для пленочного охлаждения жидких пищевых продуктов, содержащее теплообменную поверхность из вертикальных труб с патрубками для подвода хладагента и отвода его паров, ванну с щелевыми распределителями для приема и подачи продукта на охлаждающую поверхность, отличающееся тем, что устройство снабжено ванной приема охлажденного продукта, а трубы снаружи и внутри имеют оребрение, при этом оребрение на внутренней поверхности труб выполнено в виде расположенных последовательно по окружности вертикальных каналов конической и овальной формы, оси которых параллельны вертикальной оси трубы, при этом у каналов конической формы ширину b и высоту ребра h выполняют равной 0,05-0,2 внутреннего диаметра трубы d, при том, что вершина угла раскрытия конического канала опирается на диаметр d и этот угол равен 45^o, а угол между осями конических каналов определяется по зависимости
= 360(b+b₁)/d,
где b₁ характеризует значение дуги и определяется по формуле

- постоянная величина, равная 3,14;
- поверхностное натяжение жидкого хладагента, Н/м;
g - ускорение сил тяжести, м/с²;
, - плотность жидкости и пара хладагента соответственно, кг/м³,
а в овальных каналах радиус закругления R1 должен быть не более значения R_ном, определяемого по формуле

где r_о - скрытая теплота кипения хладагента, кДж/кг;
Т_о - температура кипения хладагента, К;
T - температурный напор на внутренней поверхности трубы, равный T = Т_ст - Т_о, К;
Т_ст - температура внутренней поверхности трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6