Пластинчатые теплообменники в переработке сыпучих материалов

Вертикальные пластинчатые теплообменники косвенно передают тепло, когда сыпучие материалы нагревают, охлаждают или сушат. Так как теплопередача происходит через стенку, то частицы друг с другом или внешней средой не перемешиваются.

Способы переработки сыпучих продуктов за несколько десятилетий сильно изменились. Еще с промышленной революции, от удобрений и кофе до пищи и катализаторов, сырье или готовую продукцию нагревали, охлаждали или сушили. Технологии термической обработки постоянно развиваются. Производители и переработчики ищут эффективные и экономичные решения, чтобы улучшить и расширить свои производственные линии. Рост производства, снижение потребления энергии и повышение качества продукции - это лишь часть задач, которые необходимо решить.

За последние 20 - 30 лет технология косвенной термической обработки сыпучих материалов в пластинчатых теплообменниках заняла лидирующие позиции. Этот способ применяется в производстве полимеров, химикатов и пищевых продуктов. Тем не менее, не многие знают о всех возможностях этой технологии. Суть ее не отличается от традиционных методов, в которых передача тепла происходит между двумя разделенными потоками через стенку.

Пластинчатые теплообменники подходят для систем с низким или средним давлением (до 25 бар), которые работают при температурах от 80 до 200⁰С. Кожухотрубные теплообменники, напротив, лучше всего подходят для высоких температур и высокого давления, и кроме этого, для опасных химических веществ.

Как кожухотрубные, так и пластинчатые теплообменники, оба типа имеют свои ограничения, в том числе те, которые связаны с температурой рабочей среды и ее составом при теплопередаче, например, от жидкостей к жидкостям, от газа к жидкостям или от газа к газу.

Теплопередача сыпучих материалов

До середины 1980-х годов при производстве удобрений и сахара, производители охлаждали свою продукцию просто воздухом. В то время преобладали две технологии:

• Роторные барабанные охладители. В этих системах ссыпаемый продукт охлаждается поперечным потоком воздуха в барабане;
• Охладители с псевдоожиженным слоем. В них воздушный поток переводит твердое вещество в псевдоожиженное состояние.

«Проблема и в том, и в другом случае заключается в том, что, когда обдувается такой продукт, как удобрение, в воздухе появляется много пыли». Такой воздух, перед тем как выбросить в окружающую среду, необходимо очистить.

«Во втором случае, чтобы создать псевдоожиженный слой, необходимо много воздуха, а значит, много энергии».

Благодаря большей площади теплопередачи и меньших габаритных размерах, вертикальные пластинчатые теплообменники непрямого действия получили всеобщее признание в качестве наиболее эффективной технологии косвенного нагрева, охлаждения или сушки сыпучих материалов.

Как происходит теплопередача в вертикальных пластинчатых теплообменниках?

С одной стороны вертикальных пластин текут сыпучие материалы, такие как удобрения, сахар или семена масличных культур, в то время как с другой противотоком течет, например, вода. Разгрузочное устройство в нижней части теплообменника регулирует скорость прохождения, массовый расход и температуру материалов на выходе.

Роль времени в теплопередаче сыпучих материалов

Количество времени, в течение которого частицы пройдут через пластины, существенно влияет на теплопередачу. Чем больше времени сыпучий материал будет находиться в теплообменнике, тем сильнее он приблизится к заданной температуре.

Когда известны температура гранул на входе, желаемая температура твердых частиц на выходе и температура охлаждающей жидкости, то можно определить время, в течение которого материал должен находиться между пластинами.

На время влияет и расстояние между пластинами. Если их расположить дальше друг от друга, то время увеличится, и наоборот. Стандартное расстояние между пластинами в вертикальных теплообменниках для таких продуктов, как гранулы мочевины, кристаллы сахара и частицы пластика, составляет от 20 до 40 мм. Объем материала аналогичным образом влияет на расстояние между пластинами и на их размер, а соответственно, и на время.

Пластины должны быть расположены достаточно близко, чтобы поток был равномерным, и далеко, чтобы не снижалась производительность.

Состав продукта и теплопередача

Свойства сыпучего материала, такие как удельная теплоемкость и теплопроводность, влияют на время, в течение которого продукт должен находиться в теплообменнике. Удельная теплоемкость - это ключевой параметр, потому что она характеризует то, сколько тепла должно быть отведено в охладителе или добавлено в нагреватель.

Удельная теплоемкость большинства сыпучих материалов всем известна, однако следует учитывать дополнительную тепловую нагрузку, которая возникает, когда кристаллическая структура частиц меняется при сушке. Удельная теплоемкость материала зависит и от его температуры, обычно увеличиваясь с ее ростом.

Теплопроводность - это способность физического тела проводить тепло. Материалы с низкой теплопроводностью снижают или останавливают теплопередачу. Напротив, вещества с высокой теплопроводностью лучше переносят тепло.

Теплопроводность сыпучего материала обычно не является заявленным его свойством. Она будет меняться в зависимости от размера частиц, их формы и от того, как они распределены по размеру. Таким образом, теплопроводность измеряется лабораторными методами, в которых учитываются множество переменных.

Вертикальный пластинчатый теплообменник для сыпучих материалов состоит из групп пластин - модулей. Если материал находится в большой емкости, то к ней подсоединяется до шести или восьми модулей. Компактные конструкции обычно имеют большую производительность и меньшую занимаемую площадь.

Основное отличие теплообменников для жидкостей или газов от аналогичных устройств для сыпучих материалов заключается в том, что в жидкостном теплообменнике структура потока является турбулентной. Это повышает эффективность теплопередачи. Напротив, в теплообменнике для сыпучих составов турбулентного потока нет. Частицы опускаются под действием силы тяжести в одном направлении без поперечного движения.

Сами частицы передают тепло друг другу с трудом. Это значит, что материал вблизи пластины будет нагреваться или охлаждаться быстрее, а в середине потока - медленнее. Чтобы решить эту проблему с инженерной точки зрения, можно смещать вертикальные ряды. При такой конструкции частицы вдоль пластин будут падать в середину канала следующего ряда, и наоборот, пока температура не распределится равномерно.

Равномерный массовый расход сыпучего материала

Не все сыпучие материалы двигаются с одинаковой скоростью. Частицы в центре потока могут двигаться быстрее. Это приводит к колебаниям скорости теплопередачи и, следовательно, температуры. В равномерном потоке весь сыпучий материал движется с одинаковой скоростью и все его частицы проводят в теплообменнике одинаковое время.

С помощью специальных измерений определяются углы стенок разгрузочного бункера, чтобы получить необходимый массовый расход. Разгрузочные устройства могут вибрировать, иметь заслонки и круговые шнеки.