Что происходит при теплообмене: Теплообмен человека

Теплообмен человека

Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик?  Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?

Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье «Кто согревает теплую одежду». В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.

Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.

В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.

Гомеостаз

В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза. Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.

Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным.

Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал

Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.

У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.

Теплообмен

Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?

Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.

Три вида теплообмена

Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.

1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.

Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек

Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.

2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.

Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену

3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.

Виды конвекции в чайнике и туристе

Роль механизмов регуляции теплообмена

Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.

Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.

Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.

И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.

К таким механизмам относятся:

  • Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.

  • Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.

  • Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.

Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».

Резюме:

  • Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.

  • Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.

  • При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.

  • Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.

  • Одежда является одним из основных способов обеспечения температурного комфорта в условиях широкого диапазона температур окружающей среды.

Теплообмен в организме » PWO.SU

Теплообмен в организме.
Человек относится к теплокровным животным. Это проявляется в том, что при значительных колебаниях температуры окружающей среды он способен поддерживать постоянную температуру тела на уровне 36-37 градусов. Тепловой баланс организма регулируется двумя процессами: теплообразованием и теплоотдачей. Теплопродукция в организме происходит постоянно в результате протекания разнообразных химических реакций, обеспечивающих нормальный обмен веществ. В случае если для поддержания постоянной внутренней температуры необходимо дополнительное тепло, оно может вырабатываться в результате произвольного повышения мышечной активности за счет непроизвольной ритмической мышечной активности (дрожи) и ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц (например, расщепления жира в клетках особой бурой жировой ткани).

Чтобы поддерживать температуру тела постоянной, необходимо, чтобы теплопродукция уравновешивалась теплоотдачей. Теплоотдача происходит с поверхности тела через кожу путем проведения тепла, конвекции, излучения и испарения пота, а также путем испарения влаги с поверхности легких в процессе дыхания. В условиях комфортной температуры окружающей среды на обеспечение работы внутренних органов уходит лишь около 2 % теплопотерь, в то время как через кожу человек расходует около 95 % всего тепла, вырабатываемого организмом; оставшиеся 3 % уходят на испарение воды при дыхании и нагрев выдыхаемого воздуха. При низкой температуре, особенно во время пребывания человека в воде, соотношение форм теплоотдачи может существенно изменяться. Кроме того, теплоотдача зависит от проведения тепла и его перераспределения внутри организма, а также от кровотока.

При попадании человека в холодную воду включаются приспособительные механизмы организма, повышающие теплопродукцию и снижающие теплоотдачу. Это проявляется в возрастании артериального давления, учащении и усилении сердечных сокращений, учащении и углублении дыхания, повышении мышечного тонуса, обмена веществ, в спазме периферических сосудов и расширении сосудов жизненно важных внутренних органов и др. Показателем повышения теплообразования в организме во время пребывания в воде является рост потребления кислорода. Так, если в комфортных условиях воздушной среды в покое потребление кислорода составляет около 250 куб.см, то в воде при температуре 25 градусов — в среднем 800 куб.см, при Т = 15 °С — до 1200 куб.см, а при температуре воды = 10 градусов — до 1600 см3.

При длительном пребывании в холодной воде, когда глубокой температуре тела грозит снижение, температура конечностей может понижаться до температуры окружающей среды. Таким образом, активная поверхность рассеивания тепла у человека в условиях холода уменьшается почти на 50 % (именно такова доля поверхности конечностей в общей поверхности тела), а объем тела, нуждающийся в защите, по той же причине сокращается на 30 %. Некоторые исследователи называют это явление своего рода «физиологической ампутацией» конечностей, которая позволяет поддерживать нормальную температуру «ядра» тела, особенно температуру сердца и головного мозга. Однако при длительном воздействии низких температур на организм возможно холодовое расширение сосудов. И если на воздухе это свойство сосудов предохраняет ткани от отморожения, то в воде данное явление только ускоряет потерю тепла организмом.

При попадании в воду очень большая теплоотдача происходит с области головы и шеи. Это связано с тем, что, в отличие от сосудов конечностей, сосуды головы не сужаются под воздействием холода. Именно поэтому попавший в воду человек через незащищенную поверхность головы и шеи теряет от 30 до 50 % вырабатываемого им тепла.

Следует помнить, что при погружении на глубину свыше 50 м значительно возрастает респираторная теплопотеря. Как мы уже говорили, вдыхание холодного газа способно вызвать серьезные нарушения дыхания, а также затруднить компенсацию давления в полости среднего уха и околоносовых пазухах. Проблема развития холодового отека евстахиевых каналов и повышенной секреции слизи особенно заметна при плавании в холодной воде.
Первоначально считали, что респираторные теплопотери связаны с высокой теплопроводностью гелия, входящего в глубоководные дыхательные смеси. Но так как подобные процессы развиваются и при дыхании очень холодным воздухом на таких же глубинах (50-70 м), эта концепция была пересмотрена. Сейчас принято считать, что основным фактором, приводящим к значительной потере тепла через легкие, является масса газа, проходящего через них. Это объясняется тем, что газ остается в легких достаточно долгое время, за которое он успевает нагреться, и водолаз выдыхает уже газ, температура которого близка к температуре тела. Поэтому, если на поверхности воды респираторные теплопотери составляют всего 20-30 Вт, то на глубине 50 м они будут равны 120-180 Вт, а на 300 м составят уже 620-930 Вт. Чтобы избежать переохлаждения «ядра» тела при вдыхании холодного воздуха или смесей на небольших глубинах, рекомендуется использовать специальное устройство-теплообменник, вставляемое в загубник дыхательного автомата, — тепловой рекуператор. Для обогрева воздуха на глубинах свыше 50 м применяются и другие специальные системы обогрева вдыхаемого воздуха (использующие энергию электричества, горячей воды, регенеративных патронов в аппаратах замкнутого цикла и др.)

 

Важную роль в поддержании теплового баланса играет толщина слоя подкожной жировой клетчатки. Так, экспериментально установлено, что нижний предел температуры воды, при котором возможно тепловое равновесие без дополнительной теплозащиты, у тучных людей составляет немногим меньше 12 градусов, а у худых — 28-30. В то же время верхний предел, при котором наступает стабилизация температуры «ядра» без существенного перегревания организма, и у тучных, и у худых людей равен 38 градусов.


Понравиласть статья? Жми лайк или расскажи своим друзьям!

Что такое теплообменники и как они работают в печах?

Натан Уоллес — старший техник по обслуживанию и эксперт по техническому обслуживанию и ремонту систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в компании Standard Heating & Air Conditioning, где он работает с 2001 года. Натан с удовольствием поделится своими знаниями о том, как работают ваши печи и теплообменники.

Многие домовладельцы не знают, что такое теплообменники и даже где они находятся в их доме, до тех пор, пока с ними что-то не случится. Когда ваша печь находится в хорошем рабочем состоянии, легко забыть, что теплообменник является самым большим компонентом печи. Как и все устройства, созданные человеком, время и использование сказываются на теплообменниках и могут привести к образованию трещин или отверстий. Когда это происходит, результатом может быть печь, которая производит неполное сгорание топлива и неприемлемые уровни окиси углерода (CO), потенциально опасные условия. Угарный газ, попадающий в ваш дом из-за плохой вентиляции или утечек в теплообменнике, может вызвать серьезное заболевание или даже смерть.

Существует множество различных типов теплообменников. Их целью является безопасная передача тепла, и они имеют множество применений, включая отопление помещений, охлаждение и охлаждение, электростанции, химические заводы и другие процессы. Этот блог о типах, которые можно найти в печи с принудительной подачей воздуха, например, во многих домах городов-побратимов.

Теплообменники, кожухотрубные и металлические кожухотрубные, работают путем передачи тепла из одного места в другое. Когда печь сжигает природный газ или пропановое топливо, его побочные продукты выхлопа/сгорания (также известные как дымовой газ) попадают в теплообменник и проходят через него. Горячие дымовые газы нагревают металл по мере того, как газ направляется к выпускному отверстию печи. При этом горячий металл нагревает воздух, циркулирующий снаружи теплообменника.

Первичный теплообменник

В этой части находятся самые горячие дымовые газы, находящиеся ближе всего к горелкам в печи. В результате пламя и тепло подвергают его наибольшей нагрузке, что со временем может привести к растрескиванию и тепловому стрессу. Печи с КПД 70-80% имеют один теплообменник. Чем эффективнее теплообменник, тем меньше энергии нужно тратить на обогрев дома. Некоторые печи имеют только один теплообменник, но более эффективные часто также имеют вторичный теплообменник.

Вторичный теплообменник

Если у вас есть печь, которая считается высокоэффективной (90%+), она содержит как первичный, так и вторичный теплообменник. Когда продукты сгорания покидают первичный теплообменник, они проходят во вторичный теплообменник, где больше тепла высвобождается из дымовых газов и начинает образовываться водяной пар. Это изменение состояния воды из пара в жидкое высвобождает скрытую теплоту во вторичном теплообменнике, выводя печь на еще более высокий уровень эффективности. Вот почему высокоэффективные печи иногда называют конденсационными печами. Вторичные теплообменники обычно изготавливаются из нержавеющей стали или стального материала с покрытием, способного противостоять нагреву, влаге и кислоте.

Опасность для здоровья при повреждении теплообменника печи

Поскольку теплообменники содержат дымовые газы, важно, чтобы на них не было отверстий, трещин или других повреждений. Этот тип износа, который допускает утечку и смешивание дымовых газов с нагретым воздухом, может привести к неполному сгоранию и образованию окиси углерода и других вредных побочных продуктов. Несмотря на то, что из вашей печи может не сразу произойти утечка угарного газа в жилое пространство, высокий уровень СО делает ее эксплуатацию небезопасной. Такая простая вещь, как засорение дымохода или повреждение выхлопной трубы, может привести к очень опасной ситуации.

Как определить проблемы с теплообменником в вашей печи

Если ваша печь не работает со сбоями или не срабатывает датчик угарного газа, практически невозможно узнать, возникли ли проблемы в вашем теплообменнике без непосредственного осмотра или тестирования на содержание CO. Это Вот почему регулярное техническое обслуживание и осмотры очень важны. Осмотр и анализ горения/испытание на CO — лучший способ определить, безопасно ли работает печь.

Визуальный осмотр теплообменника

Некоторые теплообменники можно проверить визуально. Другим требуются специальные инструменты для более тщательного изучения устройства. Наши специалисты оснащены камерой с гибким стержнем, которая может заглянуть в труднодоступные места вашей печи, чтобы обеспечить тщательный осмотр. Иногда мы обнаруживаем внутренние проблемы в теплообменниках, которые в противном случае были бы скрыты и выглядели бы в хорошем состоянии снаружи.

Свяжитесь с нами сегодня, чтобы запланировать техническое обслуживание или настройку теплообменника.

Как работают теплообменники

Теплообменники помогают контролировать температуру жидкости в производстве продуктов питания, напитков и фармацевтических препаратов для пастеризации, стерилизации, очистки на месте и других гигиенических операций. В этом посте мы обсудим, как работают три типа теплообменников: пластинчатые и рамные, кожухотрубные и скребковые.

Теплообменники предназначены для передачи тепла между двумя или более жидкостями для регулирования температуры во время производства продуктов питания, напитков и фармацевтических препаратов.

  • Пищевая промышленность: теплообменники делают продукты безопасными для потребления и продлевают срок хранения, предотвращая рост вредных микробов.
  • Переработка молока: теплообменники пастеризуют молоко путем повышения температуры молока.
  • Фармацевтическая обработка: ингредиентов косметических и фармацевтических препаратов необходимо смешивать при определенных температурах, чтобы обеспечить безопасное использование и качество продукта.

Теплообменники различаются в зависимости от свойств обрабатываемых жидкостей, таких как вязкость, размер частиц, температура и расход.

Как работают пластинчатые и рамочные теплообменники

Прокладочные пластинчатые и рамочные теплообменники являются одними из наиболее эффективных конструкций, поэтому они также являются одними из наиболее распространенных конструкций в технологических системах. Прокладки между пластинами направляют поток продукта и нагревающей/охлаждающей жидкости через чередующиеся каналы.

Когда горячие жидкости проходят по пластинам, тепло передается от горячей к холодной стороне, понижая температуру горячей стороны и повышая температуру холодной стороны.

Ключ к эффективной работе: теплообменники должны поддерживать достаточную скорость жидкости через пластины для передачи тепла, а также контролировать перепады давления, которые могут нарушить работу.

В системах обычно используются пластинчатые и рамные теплообменники для пастеризации, охлаждения сырого молока и нагрева CIP (мойка на месте). Учитывая их пригодность для продуктов с низкой и средней вязкостью и небольшим количеством твердых частиц или без них, пластинчатые теплообменники также широко используются для производства напитков, пива, сусла, яиц, соусов и большинства молочных продуктов.

Регенеративный нагрев и охлаждение

При переработке молока охлажденное молоко нагревают, например, с 4°С до температуры пастеризации 72°С и выдерживают при этой температуре в течение 15 секунд, а затем охлаждают до 4°С очередной раз.

Тепло всегда передается от более теплых веществ к более холодным , поэтому во время пастеризации теплообменники используют тепло пастеризованного молока для нагревания холодного молока, что экономит энергию нагрева и охлаждения. Процесс называется регенеративным теплообменом или рекуперацией тепла , обычно достигая 90% и до 95% рекуперации тепла из пастеризованного молока. Восстановление ниже для продуктов с более высоким содержанием жира, таких как сливки и смеси для мороженого. Регенерация положительно влияет на энергосбережение, капитальные затраты и эффективность работы. Теплопередача происходит быстро, когда разница температур высока. По мере уменьшения разницы температур скорость переноса замедляется и полностью прекращается, когда температуры выравниваются (Руководство по производству молочных продуктов).

Операторы могут иметь несколько секций на одной раме для управления потоком горячих или холодных жидкостей, когда продукты необходимо нагревать на одном этапе, а затем охлаждать на следующем этапе.

Для пастеризации в многосекционном теплообменнике используются соединительные пластины с различными угловыми соединениями для одинарных, двойных, проходных или глухих каналов.

Пример установки из нескольких секций. 1. Торцевая пластина I 2. Торцевая пластина II 3. Канальные пластины 4. Переходная пластина

Технология пластин и прокладок

Конструкция гофрированных пластин создает большую, но компактную общую площадь поверхности для передачи тепла. Зона теплопередачи пластин имеет зигзагообразный рисунок, который создает высокую турбулентность, что увеличивает теплопередачу и облегчает очистку во время безразборной мойки.

Распределительная зона пластины обеспечивает равномерный поток жидкости по всей пластине для максимальной теплопередачи. Оптимизированное распределение потока также уменьшает неравномерные температурные зоны, которые способствуют загрязнению.

В то время как узкий проход потока пластинчатых теплообменников обеспечивает эффективный теплообмен, узкий проход также ограничивает его способность обрабатывать жидкости с низкой и средней вязкостью и небольшим количеством взвешенных частиц, что может привести к загрязнению из-за попадания частиц на контакт пластины точки.

Для жидкостей, содержащих частицы, доступны два решения:

  • Широкая пластина с низкой точкой контакта, которая может работать с продуктом с большим количеством твердых частиц
  • Пластины с широким зазором, которые могут работать с большим количеством твердых частиц.

Оба пропускают частицы, сводя к минимуму загрязнение.

Принцип работы кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубные теплообменники вместо передачи тепла через параллельные пластины передают тепло между пучком труб, окруженным большим кожухом. Жидкости, протекающие по трубкам, обмениваются теплом с жидкостями, протекающими по трубкам, содержащимся в оболочке.

Поскольку диаметр труб обычно больше, чем зазор между пластинами в пластинчатых теплообменниках, кожухотрубные теплообменники подходят для применений, в которых продукт является более вязким (устойчивым к потоку) или содержит твердые частицы высокой плотности. Максимальный размер частиц зависит от диаметра трубки. Трубчатые теплообменники обычно могут работать дольше между чистками, чем пластинчатые теплообменники в сверхвысокотемпературных применениях.

Базовый принцип кожуха и трубы перемещает продукт через пучок параллельных труб с теплоносителем между трубами и вокруг них.

Концентрический трубчатый теплообменник состоит из трубок разного диаметра, расположенных концентрически друг в друге, что особенно эффективно при нагреве или охлаждении, поскольку нагревающие/охлаждающие жидкости проходят по обеим сторонам труб продукта. Тюбики с продуктом могут иметь размер, соответствующий требованиям по вязкости и содержанию твердых частиц. Концентрическая трубка особенно подходит для высоковязких неньютоновских жидкостей, вязкость которых изменяется под давлением (шампунь, лак для ногтей, кетчуп).

Как и другие конструкции теплообменников, кожухотрубные теплообменники устроены таким образом, чтобы продукт и нагревающая/охлаждающая жидкость текли в противоположных направлениях. Например, холодная текучая среда движется в теплообменнике справа налево, а нагревающая текучая среда проходит слева направо по трубкам для продукта. Конфигурация с противотоком использует максимальную разницу температур для более эффективной теплопередачи.

Фармацевтическая линия кожухотрубных теплообменников одного производителя работает при давлении до 10 бар и рабочей температуре 150°C. Типичные области применения кожухотрубных теплообменников включают системы обработки воды (например, для впрыска или очистки) и системы безразборной мойки.

Как работают двойные трубные решетки

В фармацевтике риск смешивания продукта с нагревающей или охлаждающей средой устраняется благодаря конструкции двойной трубной решетки.

Продукт течет по трубам, а рабочая жидкость течет по трубам внутри кожуха. Рабочая жидкость герметизируется в корпусе одной трубной решеткой, а вторая трубная решетка герметизирует продукт.

Теплообменники с двойными трубными решетками облегчают обнаружение утечек , поскольку они появляются в месте соединения наружной трубной доски. Теплоноситель герметизируется в корпусе первой трубной решеткой, а вторая трубная решетка герметизирует продукт. В случае утечки утечка любой жидкости легко обнаруживается визуально.

Кожухотрубные теплообменники особенно эффективны в фармацевтической промышленности, где особенно высоки требования к гигиене продуктов и изоляции продуктов от нагревающих/охлаждающих жидкостей. Чтобы удовлетворить требования отрасли, высококачественные трубчатые теплообменники контролируют рост микробов и предотвращают перекрестное загрязнение.

Некоторые из новейших конструкций «труба в трубе» для фармацевтических применений характеризуются высокой силой сдвига и турбулентностью для обеспечения эффективной передачи тепла при уменьшении биопленки.

Меньшие по размеру и легкие теплообменники, предназначенные для ограниченного пространства, могут эффективно заменить более крупные трубчатые теплообменники . Они имеют одни и те же потоки горячей и холодной жидкости через чередующиеся каналы, которые создают высокую турбулентность для высокой эффективности теплопередачи при использовании на 50–80 % меньшей площади теплопередачи.

Как работают скребковые теплообменники

Многие процессы, связанные с производством продуктов питания, химикатов, фармацевтических препаратов, косметики, товаров для здоровья и красоты, требуют надежной теплопередачи, которая предотвращает загрязнение вязкими и липкими продуктами. В этих процессах скребковые теплообменники являются правильным выбором.

Их способность перерабатывать жидкости с большим количеством твердых частиц или высокой вязкостью делает их более эффективными в этих областях применения .

Скребковые теплообменники дороже, чем другие теплообменники, но они работают эффективно, когда другие теплообменники были бы неэффективны.

В скребковых теплообменниках продукт поступает в цилиндр снизу и течет вверх. Нагревающая или охлаждающая среда проходит по узкому кольцеобразному (кольцевому) каналу.

Typical processing applications:

  • Ketchup
  • Mayonnaise
  • Spreads and fillings
  • Sauces and puddings
  • Baby food
  • Skin lotions
  • Shampoos

Scraped surface exchangers are fitted with rotating blades that remove product от стенки цилиндра для поддержания постоянной теплопередачи.

Они разработаны специально для бережного обращения с продуктом, чтобы не влиять на его качество и консистенцию.

Скребковые теплообменники обычно устанавливаются вертикально. Внутри электродвигатель вращает ротор со скребковыми лезвиями. Чтобы предотвратить повреждение продукта, роторы и продукт проходят через теплообменник в одном направлении, при этом продукт входит снизу, а выходит сверху.

Скребковые теплообменники широко распространены в пищевой промышленности и производстве средств личной гигиены. Обеспечение непрерывного производства требует равномерной теплопередачи, но консистенция или состав некоторых пищевых продуктов препятствует эффективной теплопередаче. Теплообменники со скребковыми поверхностями отвечают требованиям эффективности, не допуская попадания продукта на стенки и попадая в смесь там, где она должна быть.

Важность очищаемости

При переработке молочных продуктов продукты имеют высокое содержание белка, что может привести к загрязнению теплообменников. Загрязнение происходит, когда перерабатываемые жидкости прилипают к внутренним поверхностям и со временем накапливаются, снижая эффективность, поэтому часть хорошей программы гигиены включает использование оборудования, которое остается чистым в течение длительного времени и которое легко очищается во время безразборной мойки.

Загрязнение может привести к повышению давления, поэтому теплообменники, подверженные загрязнению или образованию накипи, следует периодически очищать. Легкий шлам или накипь на трубе снижает ее тепловую эффективность. Поскольку сложность очистки увеличивается по мере увеличения толщины накипи или отложений, операторы должны выполнять плановые проверки для раннего выявления источников загрязнения.

Преимущества и недостатки каждого типа теплообменника

Пластинчатый теплообменник Tubular Scraped Surface
Cost per square foot Low Low High
Laminar Low Low Medium/High
Турбулентный Высокий Средний Средний
Количество регенерации Высокий

Medium None
Maintenance cost Medium Low High
Operating pressure Low High High
Use with particulates Плохо Хорошо/отлично Отлично
Способность CIP Отлично Отлично Хорошо
Materials of construction available Good Good Good
Residence time Low Medium Medium
Length of time Medium/Good Среднее/Хорошее Отличное
Гибкость процесса Удовлетворительное Хорошее Хорошее

Одним словом, теплообменники повышают эффективность производства фармацевтической продукции, продуктов питания и напитков несколькими уникальными способами.

  • Теплообменники обеспечивают постоянную температуру для пастеризации и безразборной мойки.

  • Нагревают воду для эффективного ополаскивания пищевого оборудования (резервуаров и трубопроводов).

  • Они могут быть размещены на салазках для компактного и гибкого размещения CIP-оборудования.

  • Теплообменники сами по себе подлежат CIP, поскольку их конструкция вызывает турбулентность, когда системы поддерживают достаточную скорость потока.

  • Они передают тепло, не загрязняя нагретые жидкости.

  • Энергосбережение: регенеративный теплообмен сохраняет энергию за счет повторного использования нагретых жидкостей для нагрева жидкостей в повторяющихся циклах.

  • Руководство по выбору подходящего теплообменника

    Это руководство предназначено для переработчиков, руководителей производства и инженеров-механиков, чтобы помочь им в процессе выбора теплообменника.

    Руководство по выбору правильного теплообменника

    Прочесть руководство

    Следующие шаги

    Как вы уже знаете, стили теплообменников могут широко варьироваться в зависимости от ряда переменных, что может сделать правильный выбор для вашего процесса сложным. Мы здесь, чтобы помочь!  

    Независимо от того, нужны ли вам детали для поддержания работы ваших текущих установок, прямая замена изношенного или неэффективного теплообменника или новая установка для нового процесса, CSI может вам помочь. Наша команда обслуживания клиентов, инженеры, дизайнеры и специалисты по продуктам предлагают решения с использованием широкого спектра брендов, технологий и возможностей.

    Чтобы узнать, как мы можем помочь, свяжитесь с нами сегодня!

    Свяжитесь с нами

    О CSI

    Компания Central States Industrial Equipment (CSI) является лидером в области дистрибьюции гигиенических труб, клапанов, фитингов, насосов, теплообменников и расходных материалов для техобслуживания для гигиеничных промышленных процессоров с четырьмя распределительными предприятиями в США.