3.9.2.2. Принцип работы пластинчатого холодильника

В пластинчатом теплообменнике горячее сус­ло с температурой 98-95 °С охлаждается хо­лодной водой до температуры начала броже­ния 6-8 °С; при этом холодная вода нагрева­ется до требуемой температуры, которую мы можем регулировать с помощью объемного расхода воды.

При этом происходит теплообмен между горячим суслом и холодной водой. Процесс теплопередачи зависит от многих факторов (рис. 3.105а).

345

Энергия горячей жидкости (1) передается холодной жидкости (2) через пластину (3). Для теплопередачи имеет значение:

толщина стенки (3);

материал стенки;

коэффициент теплопроводности (λ).

Известно, что сталь проводит тепло луч­ше, чем нержавеющая сталь.

На границе между жидкостями 1 + 2 и стенкой образуется пограничный слой (1w и 2w), в котором температура возрастает или понижается, приближаясь к температуре дру­гой жидкости. Толщина этого слоя больше для неподвижных, чем для быстро движущих­ся жидкостей.

Для теплопередачи через стенку имеют значение также:

• коэффициент теплоотдачи от жидкости (1) к стенке (α₁),

• теплопроводность стенки и

■ коэффициент теплоотдачи (α₂) от стенки к жидкости (2).

Коэффициент теплопередачи к выража­ется следующим образом:

Рис. 3.105а. Теплообмен через пластину:

1 — температура жидкости с более высокой температу­рой; 2 — температура охлаждающей жидкости; 3 — пла­стина; 1w, 2w — температура в пограничном слое; d — толщина пластины; α₁ и α ₂ — коэффициент теплопере­дачи; — коэффициент теплопроводности

Из формулы можно видеть, что определя­ющей величиной для коэффициента теплопе­редачи является наименьшая величина в зна­менателе (α₁, α₂ или λ). Поэтому для улучше­ния коэффициента теплопередачи необходимо, чтобы

• жидкости-теплоносители двигались по отношению друг к другу в противотоке;

• скорость движения жидкостей была вы­ сокой;

• поверхности материала стенок остава­ лись чистыми;

• применялись пластины с хорошей тепло­ проводностью.

Применение нержавеющей стали, имею­щей относительно плохую теплопроводность, обусловлено:

требованиями к механической прочности пластин с учетом возникающих перепадов давлений и требованиями к коррозионной устойчивости,

346

требованиями в отношении хорошей пригодности к безразборной мойке.

Вместе с тем следует иметь в виду, что теплопередача оказывает на процесс охлажде­ния сусла существенно большее влияние, чем обусловленная материалом теплопроводность. Высокие скорости течения и большая тур­булентность уменьшают требуемые размеры поверхности теплообмена, но они также тре­буют:

в существенного увеличения мощности на­соса, а значит;

■ повышенных эксплуатационных расхо­дов.

При осуществлении процесса теплопере­дачи возникают две проблемы:

1. Нельзя получить температуру начального сусла ниже 10-15 °С путем охлаждения обычной холодной водой; для этого требу­ ется ледяная вода, которую должны пред­ варительно охладить до температуры, ко­ торая не менее чем на 3 градуса ниже тем­ пературы начального сусла.

2. При охлаждении сусла холодная вода на­ гревается. Если вода нагрелась только до температуры 30-60 °С, то ей трудно найти применение на пивоваренном производ­ стве. Требуется по возможности макси­ мально высокая температура воды на вы­ ходе из холодильника, чтобы иметь воз­ можность дальнейшего использования ее высокого температурного потенциала в виде производственной горячей воды или в системах энергоснабжения.

Охлаждение сусла может осуществлять­ся в одну или две стадии. Охлаждение в две стадии было до сих пор обычным способом, используемым на пивоваренном производстве (рис. 3.106).

В более крупной секции предварительного охлаждения сусло отдает свое тепло холодной производственной воде. В то время как сусло охлаждается до температуры на 3-4 градуса выше температуры воды, охлаждающая вода нагревается до 80-88 °С. В меньшей по пло­щади секции глубокого охлаждения сусло охлаждается ледяной водой с температурой 1-2 °С до требуемой температуры начала броже­ния. Ледяная вода при этом несколько нагре­вается, но ее температура остается ниже, чем температура производственной воды, так что ее можно направить обратно в холодильник для получения ледяной воды.

Современная тенденция развития техники заключается во все большем распространении способа охлаждения сусла в одну стадию (рис. 3.107).

Здесь предварительно охлажденная до 1-2 ˚С ледяная вода нагревается в пластинча­том холодильнике до 80-88 °С, тогда как горя­чее сусло охлаждается с 95-98 °С до темпера­туры начала брожения. Использованная здесь ледяная вода должна заменяться свежей водо­проводной водой.

Потребление холода при охлаждении в две стадии меньше, чем в одну (см. раздел 10.3.4.3), но для него требуется больший рас­ход воды; тем не менее многие пивоваренные предприятия предпочитают проводить охлаж­дение сусла в одну стадию, так как аппараты

Рис. 3.106. Пластинчатый холодильник с охлаждением в две стадии;

1 — накопительный резервуар с ледяной водой; 2 — на­сос для ледяной воды; 3 —секция глубокого охлаждения; 4 — секция предварительного охлаждения

Рис. 3.107. Пластинчатый холодильник с охлаждением в одну стадию:

1 —холодильник для получения ледяной воды; 2 — насос для ледяной воды; 3 —пакет пластин

для этого имеют более простую конструкцию, дешевле и характеризуются более низкими эк­сплуатационными расходами; в то же время при охлаждении сусла в одну стадию можно добиться такого же потребления энергии, как и при охлаждении в две стадии.

Допустимое рабочее давление для плас­тинчатого холодильника составляет обычно Р_изб ⁼ 10_бар. Разность давлений между сто­ронами пластин для воды и для сусла обычно составляет около 2 бар, максимально 4 бар. Эту разность давлений нельзя произвольно превышать, так как это может привести к де­формациям пластин и разгерметизации уп­лотнений. Пластины теплообменника долж­ны быть рассчитаны на максимально воз­можную разность давлений (Δр = 20 бар).