换热器及换热原理

污垢聚集的速度取决于很多因素
• • • • 产品和加热介质的温差 牛乳质量 产品中空气的含量 加热段的压力条件
续
• 利用热流体，如巴氏杀菌乳的热量来预热 进口的冷牛乳的方法称之为热回收。冷牛 乳也可以冷却热牛乳。这样可以节省水量 和能量。在现代化的巴氏杀菌装置中（板 换），热回收效率可达94-95%。
单项分析
• 产品的进口温度和出口温度取决于前段加工 情况和后续加工的要求：Δ t1= Δ to1- Δ ti1 • 所用介质的进口温度取决于加工条件，介质 的出口温度可以用能量平衡公式计算得出： V1 × P1 x Cp1 ×△ t1 = V2 × P2 x Cp2 ×△ t2
单项分析
• 温度差异是传热推动力，温差越大，传热越多， 所需的热交换器越小；然而，对于敏感性产品， 可利用的温差是有限的。温差随着液体流经热 交换器而不断变化，所以，温差用一个平均值， LTMD进行计算。决定平均温差大小的一个重 要因素是介质在热交换器中的流动方向。它主 要有两种形式：逆流或并流
常用类型：
• 板式换热器（PHE）
• 管式换热器（THE）
整体结构
板式换热器：
• 板片设计成传热效果最好的瓦楞型，板组 牢固地压紧在框中，瓦楞板上的支撑点保 持各板分开，以便在板片之间形成细小的 通道。
整体结构及图
液体通过板片一角的孔 进出通道。改变孔的开 闭，可使液体从—通道 按规定的线路进入另一 通道。板周边和孔周边 的垫圈形成了通道的边 界，以防向外渗漏与内 部液流混合。
本次培训结束
图示
持热管简介
必要性及设计原理
• 正确的热处理要求牛乳在杀菌温度下保持一定 的时间，这可以通过外设保持管来实现。 • 若已知流量和保持管的内管径，就可以计算出 符合保持时间的合适的管长。
设计原理
• 由于保持管里流速分布不均匀，某些牛乳 粒子的流速要比平均值大。为了确保流速 最快的粒子也能充分地巴氏杀菌，必须采 用一效率系数来校正。这个系数取决于保 持管的设计，通常取0.8～0.9 之间。
分析
• 间壁通常是波纹状，以实现更剧烈的紊流。 紊流有助于传热，厚度也十分重要。间壁 越薄，传热效果越好。但是这个厚度要有 足够的强度来承受液体的压力。现代化的 设计和生产技术使得间壁比几年前的更薄。 • 食品加工中通常采用不锈钢材料，不锈钢 有相当好的传热性能
• 加热介质和产品的温差要尽可能地小，通常比杀 菌温度高2-3℃/4-5 ℃ 。 • 相对于产品来说，如果间壁表面太热，牛乳中的 蛋白质将会有凝结并在间壁上结焦的危险。热量 必须通过这一垢层进行传递，这将导致总传热系 数K 值下降。加热介质和产品的温差与以前相同 时，也不能传递同样多的热量，产品的出口温度 将会下降。这可以通过提高加热介质的温度来补 偿，但这又提高了传热表面的温度，以致更多的 蛋白质凝结在换热器表面上，垢层的厚度增加，
换热器面积的计算
热交换器必需的尺寸和结构取决于很多因 素，要计算是非常复杂的，当今通常借助 于计算机进行计算。有几种因素一定要加 以考虑： • 产品流量 • 液体的物理性质
续
• • • • • 温度程序 允许的压力降 热交换器的设计 清洁度的要求 要求运行的时间
热交换器中逆流传热的温度分配
热交换器中并流传热的温度分配
公式解释
• • • • • p = 产品的密度 Cp = 产品的比热 △ t = 产品的温度变化 △ tm = 对数平均温差(LMTD) K = 总传热系数
单项分析
• 流量V，是由乳品厂的设计能力决定的。 • 产品密度p 由产品决定。比热cp也由产品 决定，比热值告诉我们将某种物质温度升 高1℃，需提供多少热量。
特别介绍
影响总传热系数K的要素: • 液体允许的压力降 • 液体的粘度 • 间壁的形状和厚度 • 间壁的材料 • 污垢物质的存在
分析
• 产品和介质的压力降越大，传递的热量越多， 热交换器越小。然而对机械搅拌敏感的产品(例 如乳脂肪)可能会因这种剧烈的处理而坏。 • 产品和使用介质的粘度对于确定热交换器的尺 寸也是非常重要的。与低粘度的产品相比，高 粘度的液体在通过热交换器时，产生紊流的程 度小，如果其它参数一定，这就意味着需要较 大的热交换器。
如何进行热交换
热交换系统通常是以热传导和对流两种方式进 行热交换的。热传导是热量传递的一种常见的 方式，其过程中流体各部位之间不发生相对的 位移；对流是流体各部分质点发生相对位移而 引起的热量传递过程。对流分为强制对流与自 然对流，强制对流是使用机械能（如搅拌）使 流体发生对流而传热，比如我们为了冷却一杯 咖啡会不停的搅拌它；自然对流是因流体受热 而有密度的局部变化，导致发生对流而传热。
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标识介绍
整体结构
管式换热器： 管式热交换器，不同于板式热交换器，它 在产品通道上没有接触点，这样它就可以 处理含有一定颗粒的产品,颗粒的最大直径 取决于管子的直径.
整体结构
在UHT处理中，管式热交换器要比板 式热交换器运行的时间长。从热传递 的观点看，管式热交换器比板式热交 换器的传热效率低
工作原理
通常使用的多管道的管式热交换是基于传 统的列管式热交换器的原理，其产品流过 一组平行的通道，提供的介质围绕在管子 的周围，通过管子和壳体上的螺旋波纹， 产生紊流，实现有效的传热。
补充说明
同一段内可能使用不同规格/模式的管式热交 换器 • 规格：包括外部套管的管径-内部列管的管径 -内部列管的数量-总长度 • 模式：常见的有A B C D四种模式，主要由 外部套管上介质进出口的位置决定
工作示意图
补充
焊接式的板式换热器
• • • • 多用于水汽换热，具有很高的集成度 高换热系数，体积小，薄型材料 不用密封圈，铜\镍或钎焊接不锈钢成紧凑直 角型的包状 易于安装，高换热效率，低成本 抗腐蚀性强，抗震，耐高温，高压
图示
总结
板式热交换器是一种新型、高效的节能热 交换设备，它具有换热效率高，结构紧凑， 重量轻，适应性强，热损失少，可拆卸， 可清洗，装拆和维修方便等特点，主要应 用于液液、液汽热交换，特别适用于各种 工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝 及食品消毒等方面.
基础概念
层流：当流体以较小的流速流经管道时，流体成 平稳状态通过全管，流体的质点作平行运动，与 旁侧的流体并无宏观的混合，此流动形态称之为 层流。 湍流：当流体以较高流速流经管道时，流体成波 动状态，并形成旋涡向四周散开，与旁侧的流体 相混合，此种流动形态称之为湍流。
思考
湍流会使流体内部的混合与振荡增强，使流 体以对流方式传热，因而随着湍动程度的增 强传热的效果会更好，而层流使流体主要以 传导的方式进行传热。显而易见湍流状态下 的传热效果要比层流状态下的传热效果好。