Тепломасообмін та гідродинаміка при термовакуумній обробці рідин

Дисертація присвячена проведенню наукового аналізу тепломасообмінних і гідродинамічних процесів, які протікають в апараті ТВО з метою оптимізації його роботи і скороченню енергетичних витрат, а також створення методики розрахунку для розробки апарата підвищеної продуктивності. Визначено критерії ефективності апарата ТВО. Приведено рівняння для визначення коефіцієнта корисної дії даного апарата. Розроблена математична модель випаровування і конденсаційного зростання одиничної краплини, а також сукупності краплин розпиленої рідини в перегрітій парі у стаціонарному і нестаціонарному режимах. На основі цієї моделі розроблена математична модель апарата.

Показано, що врахування градієнта температури всередині краплини відіграє значну роль при оцінці тривалості нестаціонарного періоду процесу, тим більше помітну, чим більший розмір краплини. Встановлено вплив якості диспергування рідини на роботу апарата. Виявлено, що існує потенціальна можливість зменшення енергетичних витрат в апараті на 30 %. Розроблено методику розрахунку апарата для розробки апаратів даного типу різної продуктивності.

Ключові слова: випаровування, конденсація, краплина, перегріта пара, конденсаційно-випарна схема, тепломасообмін, диспергування рідини, рекуперація, енергетична ефективність, моделювання.

АННОТАЦИЯ

Целень Б. Я. Тепломассообмен и гидродинамика при термовакуумной обработке жидкостей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - «Техническая теплофизика и промышленная энергетика» - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена изучению тепломассообменных и гидродинамических процессов, которые протекают в аппарате ТВО с целью оптимизации его работы, снижения непродуктивных затрат энергии и разработки методики расчета применительно к созданию аппаратов ТВО повышенной производительности. Определены критерии эффективности аппарата ТВО, который с энергетической точки зрения рассматривается как классический рекуператор. Приведено уравнение для количественной оценки КПД аппаратов этого типа.

Создана математическая модель, которая без использования эмпирических параметров адекватно описывает кинетику испарения и конденсационного роста единичной капли, а также совокупности капель диспергированной жидкости в перегретом паре в стационарном и нестационарном режиме. Установлено что при оценке длительности нестационарной стадии испарения и роста капель необходимо учитывать теплоперенос внутри капли, роль которого тем более существенна, чем больший размер капли. Эта модель положена в основу математической модели описывающей гидродинамические и массообменные процессы в жидкостном и паровом трактах аппарата ТВО. В рамках модели проведены аналитические исследования совокупности взаимосвязанных процессов, протекающих в камерах аппарата, и выяснена роль основных факторов, определяющих эффективность работы аппарата. На основе результатов математического моделирования работы аппарата определены значения технологических параметров, которые отвечают его идеальному режиму работы.

На базе опытно-промышленного аппарата ТВО производительностью 5 т/час выполнен комплекс экспериментальных исследований с точной регистрацией температуры и давления в узловых точках жидкостного и парового трактов. Определено влияние качества диспергирования жидкости на работу аппарата. Проведена оценка эффективности работы вакуумного и продуктовых насосов. На основе анализа существующих распылительных устройств обоснован выбор диспергаторов, которые пригодны для использования в аппарате ТВО. Проведен сравнительный анализ механизма распыления жидкости с помощью щелевых и центробежных форсунок. Выполнен расчет энергетической эффективности работи аппарата. Доказана потенциальная возможность уменьшения энергетических потерь в аппарате на 30 %. Разработана методика расчета аппарата данного типа для разработки аппаратов различной производительности.

Результаты диссертационного исследования лежат в основе разработки аппарата термовакуумной обработки жидкостей повышенной производительности (15 т/час), который прошел промышленные испытания и внедрен в производство на одном из молочных заводов Украины.

Ключевые слова: испарение, конденсация, капля, перегретый пар, конденсационно-испарительная схема, тепломассообмен, диспергирование жидкости, рекуперация, энергетическая эффективность, моделирование.

ANNOTATION

B. Tselen. Heat and mass transfer and hydrodynamic at thermovacuum treatment of liquids. - Manuscript.

Thesis for academic Degree of the Candidate of Technical Sciences by specialty 05.14.06 - “Engineering Thermophysics and Industrial Heat power Energetic”. - Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Science of Ukraine. - Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to realization of scientific analysis of heat and mass transfer and hydrodynamic processes, which flow in the apparatus for thermo-vacuum treatment of liquids with regard to its work optimization, reducing total energy consumption and development of method of computing these apparatus, as well. It have been established the basic criteria of efficiency of apparatus of thermo-vacuum treatment of liquids.

The mathematical model for evaporation and condensation growth of single droplets in stationary and non-stationary modes both for air and for superheated vapor has been produced On the basis of this model the mathematical model of apparatus is worked out with account of heat and mass transfer between the apparatus chambers.

It is shown that account of gradient of temperature into a drop plays a considerable role at the estimation of duration of non-stationary period of process, the more so noticeable, than greater size of drop. It has been also proved the essential influence of quality of liquid dispersion processes in the chambers on effective work of apparatus. It has been shown that there is exists a potential possibility of diminishing of power losses in a apparatus by 30 %. As a result the analytical method calculating apparatus of this type is developed which was used while designing new apparatus of high productivity for dairy industry.

Keywords: evaporation, condensation, droplets, superheated vapor, condensation-evaporated scheme, heat and mass transfer, drop, liquid dispersion, recuperation, power efficiency, modeling. Размещено на Allbest.ru