Тепломасообмін та гідродинаміка при термовакуумній обробці рідин

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

УДК 536.423:66.069.8

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Тепломасообмін та гідродинаміка при термовакуумній обробці рідин

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Целень Богдан Ярославович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник:Доктор технічних наук, старший науковий спіробітник, Іваницький Георгій Костянтинович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:Доктор технічних наук, Давиденко Борис Вікторович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник.

Кандидат технічних наук, доцент, Степанюк Андрій Романович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», доцент кафедри.

Захист відбудеться «28» вересня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України за адресою: вул. Желябова, 2 а, м. Київ, 03057.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України за адресою: вул. Желябова, 2а, м. Київ, 03057.

Автореферат розісланий «11» серпня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01,

кандидат технічних наукО. І. Чайка

термовакуумний рідина тепломасообмінний продуктивність

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності роботи обладнання при проведенні виробничих технологічних процесів є однією з пріоритетних задач для розвитку народного господарства країни. У зв'язку з перспективою енергетичної кризи внаслідок постійного зменшення запасів енергоносіїв і, як наслідок, зростання їх вартості, особливо гостро постає проблема створення технологічного обладнання з невеликими питомими енергетичними витратами для проведення різних технологічних операцій, яке б одночасно забезпечило можливість підвищення якості кінцевого продукту. До такого обладнання в повній мірі можна віднести апарати, які застосовуються в технології термовакуумної обробки рідини (ТВО).

Ця технологія, створена в ІТТФ НАН України в рамках наукового напрямку ДІВЕ, дозволяє спрямовано і ефективно впливати на властивості багатокомпонентних рідинних сумішей, в тому числі органічного і біологічного походження. Технологія базується на застосуванні різноманітних механізмів ДІВЕ і реалізується в одно- і двосекційних тепломасообмінних апаратах, в яких при заданих режимах проводиться термічна та гідромеханічна обробка рідини.

Технологія і обладнання ТВО знайшли широке застосування, зокрема, в молочній промисловості. Сьогодні висуваються нові вимоги до технологічного устаткування цього типу, насамперед, в плані зменшення енерго- та матеріалоємності і підвищення його продуктивності. Оскільки процеси, які протікають в апаратах ТВО не масштабуються, виникає нагальна необхідність у проведенні детальних досліджень з метою підвищення енергетичної ефективності таких пристроїв і створення методики їх розрахунку. Результати таких досліджень лягли в основу створення апаратів ТВО високої продуктивності (до 20 т/год) з мінімальними непродуктивними витратами енергії, в яких сьогодні вкрай зацікавлені підприємства молочної промисловості.

Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при удосконаленні таких технологій як розпилювальне сушіння, інтенсивне охолодження рідини, конденсаційно-випарних схемах регенерації тепла та інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з науковою тематикою Інституту технічної теплофізики НАН України. ЇЇ результати були отримані при виконанні науково-дослідних робіт за темами: «Вивчення теплофізичних та гідродинамічних основ дискретно-імпульсного введення енергії з метою створення нанотехнологічних процесів» (№ держ. реєстрації 0102U002197), «Дослідження теплофізичних, фізико-хімічних і реологічних властивостей, а також мікроструктури багатокомпонентних високов'язких білкововмістких сумішей» (№0106U000997), «Дослідження гідродинаміки і тепломасообміну в рідких біологічно-активних середовищах при дискретно-імпульсному вводі енергії в апаратах типу ВГ» (№0106U002974), «Розробка, виготовлення і випробування дослідно-промислового зразка апарата для обробки молока продуктивністю 10ч20 т/годину» (№0108U004115). В цих наукових дослідженнях автор дисертаційної роботи приймав участь в ролі виконавця.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є проведення наукового аналізу тепломасообмінних і гідродинамічних процесів, які протікають в апараті ТВО, для оптимізації його роботи і скорочення енергетичних витрат, а також обґрунтування шляхів масштабного переходу для створення апарата для обробки молока продуктивністю 10ч20 т/год.

Відповідно до поставленої мети сформульовано наступні основні завдання:

- визначити критерії ефективності апарата ТВО;

- розробити математичну модель, яка описує гідродинамічні та масообмінні процеси, що протікають в апараті ТВО;

- провести на основі моделі аналітичне дослідження тепломасообмінних та гідродинамічних процесів в апараті ТВО;

- експериментально дослідити тепломасообмінні процеси на базі промислового апарата типу ВГ продуктивністю 5 т/год;

- на основі аналізу результатів досліджень надати рекомендації щодо вдосконалення роботи апарата і створення апаратів високої продуктивності;

- розробити методику розрахунку апаратів ТВО;

- провести випробування апарата продуктивністю 15 т/год в умовах виробництва.

Об'єкт дослідження - процеси тепло- та масообміну, а також гідродинамічні процеси, які протікають в парорідинних середовищах.

Предмет досліджень - апарати термовакуумної обробки рідини.

Методи досліджень - експериментальні методи з використанням прецизійних пристроїв для вимірювання тиску і температури з комп'ютерною реєстрацією і обробкою даних, теоретичні методи з використанням розроблених математичних моделей, які адекватно описують процеси, що протікають в рідинному і паровому трактах апарата на кожному етапі обробки.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

- розроблено математичну модель, яка описує нестаціонарні процеси випаровування та конденсаційного зростання краплин в перегрітій парі у широкому інтервалі зміни режимних параметрів;

- створено математичну модель, що описує закономірність протікання складних взаємопов'язаних процесів гідродинаміки та тепломасообміну в апараті ТВО;

- доведено необхідність врахування градієнта температури всередині краплини для точної оцінки тривалості нестаціонарного періоду процесів тепломасообміну;

- науково обґрунтовано шляхи збільшення енергоефективності апаратів ТВО і надано рекомендації стосовно оптимального режиму їх роботи;

- встановлено визначальний вплив ступеня диспергування рідини на енергетичну ефективність апаратів ТВО;

- розроблено методику розрахунку даних апаратів.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів забезпечено застосуванням сучасних методів аналітичних і експериментальних досліджень і використанням прецизійних засобів вимірювання з комп'ютерною обробкою даних.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

- результати дисертаційної роботи застосовані при розробці апарата ТВО підвищеної продуктивності (15 т/год), який впроваджено на ВАТ «Чернігівський молочний завод»;

- показано потенційну можливість зменшення в апаратах ТВО енергетичних витрат на 30 %.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі літературних джерел за темою досліджень, створенні експериментального стенда, участі у створенні та апробації математичних моделей, проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, аналізі та узагальненні отриманих результатів, оформленні висновків і рекомендацій, участі у розробці та затвердженні технічної документації, підготовці матеріалів до публікації, участі у впровадженні апарата у виробництво.

Апробація роботи. Основні положення та матеріали дисертаційної роботи оголошено і обговорено на VI Міжнародній науково-практичній конференції аспірантів, магістрантів і студентів «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики» (Київ, 21-25 квітня 2008 р.), на ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008» (Москва, 16-20 вересня 2008 р.), на XXIII науковій конференції країн СНД «Дисперсные системы» (Одеса, 22-26 вересня 2008 р.), V Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів» (Київ, 3-11 листопада 2009 р.), на Міжнародному науково-технічному семінарі «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов. К столетию А. В. Лыкова» (Воронеж, 11-13 травня 2010 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи наведено в 11 публікаціях, у тому числі в 5 статтях в спеціалізованих наукових журналах та в збірниках тез і матеріалів наукових конференцій. Подано заявку на патент на корисну модель «Апарат вакуумної обробки молока» № u201000694 від 25.01.2010 р.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг дисертації становить 210 сторінок з них 162 сторінки комп'ютерного тексту, 43 рисунки і 9 таблиць. Бібліографія містить 192 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, викладені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розглянуто основні аспекти, які визначають енергетичну ефективність апарата ТВО.

На рис.1 наведено схему апарата ТВО. Апарат складається з двох секцій, кожна з яких має випарну та конденсаційну камери, ізольовані від зовнішнього середовища. Випарні камери першої та другої секції позначені В₁ і В₂, а камери конденсації - К₁ і К₂. У камери рідина подається зверху через форсунку. З кожної камери рідина відводиться за допомогою відцентрових насосів (позиції 1-4). В обох секціях випарна і конденсаційна камери сполучені між собою спеціальним патрубком ВК, через який пара з випарної камери надходить до камери конденсації завдяки перепаду тиску .

Перед початком роботи з усіх камер апарата вакуумним насосом 5 відкачується повітря, так що в процесі роботи газова фаза складається лише з пари рідини.

Вихідна охолоджена рідина з температурою через форсунку подається на вхід апарата - в камеру К₂. Пара, яка поступає з камери випаровування В₂ в камеру К₂ через канал ВК₂, конденсується на холодних краплинах факела. Це забезпечує підвищення температури рідини на виході з камери до величини . Тиск пари в камерах визначається умовами випаровування гарячої розпиленої рідини в камерах і умовами конденсації пари на холодних краплинах розпиленої рідини в камерах .

Рис.1. Схема апарата ТВО: 1, 2, 3, 4 - продуктові насоси; 5 - вакуумний насос; 6 - нагрівач; 7 - холодильник; К₁, К₂ - камери конденсації, В₁, В₂ - камери випаровування; ВК₁, ВК₂ - з'єднувальні канали між випарною та конденсаційною камерами , відповідно, для І та ІІ секції.

Рідина з камери К₂ насосом 3 подається на вхід камери конденсації першої секції К₁. В цій камері пара, яка поступає через патрубок ВК₁ з випарної камери В₁, конденсується на краплинах розпиленої рідини, внаслідок чого температура рідини в камері К₁ додатково зростає - до значення . З камери К₁ рідина насосом 2 подається в нагрівач 6, де її температура підвищується до необхідного за умовами технології максимального значення .

Після нагрівача рідина під тиском через короткий канал поступає на вхід камери випаровування першої секції В₁, тиск пари в якій . Завдяки різкому перепаду тиску, всередині цього короткого каналу відбувається інтенсивне адіабатне закипання потоку перегрітої рідини, внаслідок чого швидко зростаючі парові бульбашки чинять динамічний вплив на рідину, що спричинює її ефективне диспергування на виході з каналу. На вхід камери В₁ рідина поступає у вигляді факела дрібнодисперсних краплин. Завдяки високій температурі рідини на вході () і низькому тиску пари , в камері відбувається інтенсивне випаровування краплин в перегріту пару. Внаслідок цього в об'ємі камери виділяється велика кількість пари, а рідина на виході з камери охолоджується до температури .

Надлишок пари з камери через канал ВК₁ переходить в камеру К₁, де конденсується на більш холодних краплинах. Насосом 1 рідина з камери В₁ подається на вхід камери В₂, в якій процес випаровування здійснюється по тій самій схемі, що і в камері В₁, але при інших значеннях температури. Надлишок пари з камери В₂ через канал ВК₂ потрапляє до камери К₂, де конденсується на краплинах холодної рідини. З камери В₂ рідина з температурою насосом 4 подається в холодильник 7, де охолоджується до початкової температури . На цьому процес обробки рідини завершується. Розчинені в рідині нейтральні гази, які переходять у газову фазу в процесі випаровування рідини, відводяться з обох конденсаційних камер вакуумним насосом 5.

Апарат ТВО з енергетичної точки зору можна розглядати як високоефективний теплообмінник-рекуператор, загальний принцип роботи якого полягає в нагріванні холодної рідини до високої температури, охолодженні гарячої рідини до початкового значення і передачі тепла від потоку гарячої рідини до потоку холодної в теплообміннику “труба в трубі” через стінку з площею поверхні теплообміну .

Враховуючи певну аналогію між процесами в апараті ТВО і в рекуператорі, на основі аналізу літератури розглянуто основні фактори збільшення ККД рекуператорів. Для класичного рекуператора з відомими значеннями вхідних температур в тракті гарячої рідини і холодної рідини та при умові, що теплоємність рідини = const, величина теплового ККД визначається за формулою

,(1)

де - площа поверхні теплообміну; - коефіцієнт теплопередачі через поверхню розділу рідини в гарячому і холодному трактах. З (1) видно, що чим більші значення і , тим вищий ККД рекуператора. При отримаємо .

Формулу (1) можна застосувати також і для оцінки ККД апарата ТВО, якщо підставити в неї замість відповідно .

На відміну від типового рекуператора в апараті ТВО немає роздільної поверхні теплообміну з фіксованою площею . Теплообмін між гарячою ї холодною рідиною здійснюється через проміжну парову фазу, а коефіцієнт теплопередачі визначається з урахуванням кінетики процесів випаровування і конденсації в камерах. Ці процеси характеризуються надзвичайно інтенсивною тепловіддачею через міжфазну поверхню рідина - пара, що забезпечує високі значення коефіцієнта .

По механізму теплопередачі апарат ТВО можна розглядати як високоефективну теплову трубу, оскільки передача теплоти з зони випаровування у зону конденсації здійснюється практично без опору при малій різниці температур. Відмінність полягає в тому, що в апаратах ТВО забезпечується можливість суттєвого збільшення площі поверхні теплообміну за рахунок розпилення рідини в камерах.

Визначено максимально можливий ККД двосекційного апарата ТВО, що відповідає ідеальному режиму його роботи і розглянуто основні фактори, які забезпечують наближення роботи апарата до ідеального режиму. Для досягнення ідеального режиму необхідно виконання наступних обов'язкових умов.

1. В будь-якій камері , де - тиск пари в даній камері.

Наслідок 1. Оскільки завдяки з'єднувальному каналу тиск , а тиск , то в обох секціях виконується умова: і .

2. Втрати тепла в трубопроводах відсутні.

Наслідок 2. З цього випливає, що і .

3. В кожній секції кількість теплоти, яку рідина витрачає в камері випаровування, дорівнює кількості теплоти, яку вона одержує в камері конденсації.

Наслідок 3. В обох секціях .

Враховуючи ці умови, можна визначити ступінь недогріву рідини на вході в нагрівач () і ступінь її перегріву на вході в холодильник () для ідеального режиму роботи двосекційного апарата ТВО, якщо відомі значення і . Встановлено, що при ідеальному режимі роботи таких апаратів ступені недогріву і перегріву однакові і визначаються за формулою

.(2)

У відповідності з (1) ККД апарата, що відповідає ідеальному режиму, дорівнює

.(3)

В реальних апаратах ККД може бути тільки нижчим від цієї граничної величини.

При аналізі результатів експериментальних досліджень на промисловому апараті ступінь наближення роботи апарата до ідеального режиму пропонується визначати величиною , яка розраховується за формулою

.(4)

Для підвищення ККД реальних апаратів ТВО за рахунок збільшення площі слід забезпечити інтенсивне розпилення рідини на вході в камери. При середньому діаметрі краплин мкм площа поверхні теплообміну 12^.10³ м²/м³ рідини, тоді як при мкм 60^.10³ м²/м³рідини. Для підвищення ККД за рахунок збільшення коефіцієнта необхідно прискорити швидкість випарного охолодження і конденсаційного нагрівання краплин в середовищі перегрітої пари з тим, щоб за час перебування в камері температура рідини встигла зменшитись (у випарних камерах) або збільшитись (в конденсаційних камерах) до температури .

В розділі проведено критичний огляд публікацій по випаровуванню і конденсаційному зростанню краплин в середовищі перегрітої пари. Встановлено, що в літературі відсутні дані відносно кінетики протікання цих процесів у нестаціонарному режимі - на стадії охолодження або прогрівання краплин.

У другому розділі розглянуто особливості кінетики випаровування і зростання краплин в парогазовому середовищі і в перегрітій парі. В повітрі або в іншому газі масообмін краплини з газом в цих процесах визначається дифузією пари у газі в межах дифузійного граничного шару , а теплообмін - передачею тепла теплопровідністю в межах прилягаючого до краплини теплового граничного шару . В процесах випаровування і конденсації в перегрітій парі механізми теплообміну і масообміну принципово інші. Процес дифузії відсутній, і перенос маси в напрямку поверхні краплини відбувається завдяки конвективному макропереносу пари, який разом з теплопровідністю пари визначає також швидкість передачі тепла до поверхні краплини.

В розділі розглянуто принципи побудови математичної моделі, яка з єдиних позицій описує всі стадії процесу випаровування або конденсаційного зростання краплини як в парогазовому середовищі, так і в перегріті парі. Модель, створена в рамках поставлених в дисертації задач, призначена, в першу чергу, для аналізу процесів тепло- і масообміну, що протікають в апараті ТВО при реалізації конденсаційно-випарної схеми регенерації тепла, в якій кінетика процесів об'ємної конденсації і випаровування сукупності краплин в перегрітій парі відіграють вирішальну роль. Цю модель слід розглядати як базову модель, що лежить в основі побудови загальної математичної моделі, яка описує роботу апаратів ТВО.

Система диференціальних рівнянь моделі має наступний вигляд.

1. Радіус краплини визначається з рівняння

; .(5)

2. Температура краплини

; .(6)

3. Швидкість і переміщення краплини у вертикальному напрямку

; ;

;.(7)

4. Швидкість і переміщення краплини в горизонтальному напрямку

; ;

;.(8)

Масовий і тепловий потоки визначаються з алгебраїчних рівнянь:

- для парогазового середовища

і , (9)

де число Шмідта ; ;

- для перегрітої пари

і ,(10)

Де , а - це

коефіцієнт аеродинамічного опору. Поточна маса краплини . Залежності від температури теплофізичних параметрів рідини та газу наведено аналітичними співвідношеннями, які апроксимують відповідні табличні дані.

Рис.2. Зміна температури (суцільна лінія) і маси краплини води (пунктир) в процесі її випаровування (1) або зростання (2) в повітрі (а) і в перегрітій парі (б).

Розрахунок по моделі при значеннях параметрів: =100 кПа; =200°С; =4,2 мг; =1 м/с; =150°С (1) і =25°С (2).

Особливості моделі та її позитивні якості полягають в тому, що вона вперше дозволяє адекватно описати процеси випаровування або зростання краплин в перегрітій парі, як в стаціонарній стадії, так і в швидкоплинній нестаціонарній стадії. На рис.2 видно, що за однакових умов тривалість нестаціонарної стадії в перегрітій парі майже на три порядки коротша, ніж в повітрі, але процеси міжфазного тепло- та масообміну в парі у камерах апарата ТВО протікають саме в нестаціонарній стадії. В цій стадії краплина з початковою температурою , яка потрапляє в перегріту пару, швидко нагрівається (або охолоджуються) до рівноважної температури . Зрозуміло, що перша умова ідеальності виконується лише тоді, коли рідина за час перебування в камері встигає досягти рівноважної температури.

Система рівнянь математичної моделі дозволяє розраховувати кінетику випаровування або росту краплини, яка рухається в середовищі перегрітої пари, а також швидкості теплообміну та масообміну краплини з оточуючим середовищем.

Достовірність теоретичних результатів, одержаних в рамках моделі, підтверджена їх порівнянням з відповідними експериментальними даними інших авторів по випаровуванню краплин у різних газових середовищах.

У третьому розділі наведено принципи побудови математичної моделі, що описує процеси тепло- та масообміну в камерах апарата з урахуванням передачі маси і теплоти з випарних камер в конденсаційні через з'єднувальні канали, а також втрати маси і теплоти при роботі вакуумного насоса. Модель створено з метою вивчення основних факторів, які визначають стабільну роботу апарата і рекомендації на цій основі оптимальних режимів його роботи.

При стаціонарній роботі апарата ТВО в кожній секції повинні виконуватись умови масового і теплового балансів, які наведено у вигляді рівнянь

;

, (11)

де , - маса і ентальпія пари, що надходять за одиницю часу в камеру внаслідок випаровування краплин; , - маса і ентальпія пари, що втрачаються за одиницю часу в камері внаслідок конденсації пари на краплинах; , - масовий і тепловий потоки з камери випаровування в камеру конденсації через з'єднувальний канал ; , - маса і ентальпія пари, що втрачаються за одиницю часу в камері при роботі вакуумного насоса.

Моделювання тепло- та масообміну між краплинами рідини і паровою фазою в камерах проводилось на основі розглянутої в розділі 2 базової моделі випаровування і зростання одиничної краплини в середовищі перегрітої пари.

В моделі допускалось, що рідина знаходиться в камерах у вигляді монодисперсного факела краплин, радіус і вектор початкової швидкості яких визначається характеристиками розпилювального пристрою, застосованого в даній камері. При заданих значеннях витрати і радіуса краплин на вході в камеру розраховується кількість краплин , що входять в дану камеру за одиницю часу. Подрібнення краплин і їх коагуляція в об'ємі камери відсутні, а сусідні краплини не впливають на характер тепло- і масообміну окремої краплини з парою. В камерах дотримується умова гомобаричності в паровій фазі, а макропереміщення пари відносно стінки камери відсутнє. За межами прилягаючого до поверхні краплин теплового шару температура пари в об'ємі даної камери вважається однаковою.

Модель працює за наступною схемою. На вхід апарата (камери ) подається рідина з температурою , а на вхід камери - рідина з температурою нагрівача . В момент камери заповнені парою під тиском . Початкове значення температури пари в камерах вибирається довільно за умови, що . Початкові значення температури рідини на вході в камери і вибираються також довільно в інтервалі між і . З заданими початковими значеннями цих параметрів за допомогою рівнянь базової моделі (розділ 2) в кожній камері одночасно розраховуються інтенсивності масопереносу та теплопереносу для одиничної краплини в процесах випаровування та конденсації у відповідних камерах. Розрахунок цих інтенсивностей дозволяє знайти швидкості збільшення або зменшення маси і ентальпії пари в об'ємі відповідних камер з застосуванням формул моделі (для масового) і (для теплового потоку), (12)

де - час перебування краплини в камері. З рівняння (12) визначають параметри , і , які входять в (11).

Випаровування краплин у камерах спричинює збільшення тиску пари , а конденсація пари на краплинах в камерах - зменшення тиску . Зі зростанням тиску в камерах інтенсивність випаровування спадає, і як наслідок, зменшується ступінь охолодження рідини на виході з цих камер. Зі зниженням тиску в камерах зменшується швидкість конденсації пари і, відповідно, ступінь нагріву рідини. Для підвищення ефективності апарата тиск в камерах випаровування необхідно підтримувати якомога меншим, а в камерах конденсації - якомога вищим. Ці вимоги задовольняються при дотримуванні умови , яка виконується в обох секціях завдяки поєднанню камер і по паровому тракту каналом , через який під дією різниці тисків здійснюється перенос маси і теплоти.

Швидкість перетікання пари з камери в камеру розраховується з відомого рівняння аеродинаміки, яке входять в систему рівнянь моделі

, (13)

де =1,31 - відношення теплоємностей для пари.

Оптимальна площа прохідного перерізу вибирається з вимог забезпечення рівності тисків в обох камерах і запобіганню небажаному за умовами технології потраплянню краплин ще не обробленої рідини з камери в камеру.

Величина масового потоку пари , що одночасно виводиться з конденсаційних камер обох секцій вакуумним насосом, визначається технічними характеристиками застосованого насоса. В апараті ТВО серії ВГ, на якому проводились дослідження, використовується вакуумний насос ВВН-1,5. В технічній документації наведено графічні залежності об'ємних витрат газу, які забезпечує насос, від тиску газу в ємкості, з якої він відкачується. Використовуючи залежності густини пари даної рідини від тиску при відповідних температурах, можна оцінити масові витрати через насос при різних значеннях тиску. Залежність з достатньою точністю апроксимується емпіричними співвідношеннями

();

().(14)

За такою схемою в моделі одночасно для обох секцій визначають масові потоки , , , і відповідні теплові потоки , , , , що входять в рівняння (11).

При довільному виборі початкових значень і для пари і вхідних температур і для рідини модель описує перехід до стабільного режиму. Завдяки тепло- і масообміну з краплинами маса і ентальпія пари в об'ємі камер і в перехідному режимі постійно змінюються, а густина пари і її температура приймають нові значення, які використовуються при визначенні , і на наступному кроці розрахунку. При визначених для кожної камери поточних значеннях і тиск пари розраховується за формулою для ідеального газу . На кожному кроці розрахунку враховується також зміна параметрів пари внаслідок переносу маси і теплоти пари потоками і . Ця процедура розрахунку повторюється до стабілізації параметрів пари (=const і =const). Апарат ТВО є саморегулюючою системою. Будь-який довільний вибір значень початкових параметрів не впливає на значення параметрів у стабільному режимі.

З метою визначення впливу різних факторів на ККД апарата на основі моделі проведено комплекс обчислювальних експериментів для води. При постійній величині масової витрати (=1,5 кг/с) і відомих значеннях і для кожної камери задається середній радіус краплин (в інтервалі 0,12,5 мм) і їх початкова швидкість (в інтервалі 010 м/с). У всіх камерах одночасно розраховуються тиск та температура пари і значення температури рідини на виході.



Рис.3. Зміна температури поверхні та середньої об'ємної температури краплин води малого (а) та великого розміру (б) по висоті камери при їх випаровуванні в перегрітій парі при =10 кПа, =55°С, і =95°С. Початковий радіус краплини = 0,1 мм (а); = 1 мм (б).

Виявилось, що при заданій конструкції апарата, незалежно від параметрів , і , ефективність його роботи залежить лише від ступеня диспергування рідини в кожній камері, який саме і визначає розмір краплин у факелі розпилення і їхню швидкість на виході з форсунки. Саме оптимальні значення параметрів і в усіх камерах забезпечують виконання умов ідеального режиму. Критерієм ефективності роботи кожної камери є виконання умови . Недотримання цієї умови навіть в одній з камер порушує її виконання в інших камерах і негативно впливає на ККД апарата в цілому.

Недостатній ступінь диспергування рідини порушує ефективність роботи камери з наступних причин. По-перше, температура поверхні краплин , яка визначає швидкість випаровування або конденсації, не встигає за час падіння досягнути рівноважного значення і тому тиск пари в суміжних камерах і стабілізується на значенні, яке відрізняється від оптимального. По-друге, навіть якщо температура поверхні краплин вже дорівнює рівноважній, температура рідини всередині великих краплин може ще не досягнути цього значення, як показано на рис.3. Таким чином, на виході з камер рідина буде перегрітою або недогрітою відносно температури рівноважного випаровування. Швидкість розпиленої рідини на виході з форсунки менше впливає на час перебування краплин в камері. Особливо це стосується малих за розміром краплин, які одразу гальмуються, і далі, як показано на рис.4, падають з постійною невисокою швидкістю. Швидкість великих краплин може навіть зростати під дією сили тяжіння, внаслідок чого такі краплини не встигають охолонути чи нагрітись до рівноважної температури. Разом з тим, висока початкова швидкість падіння краплин збільшує інтенсивність процесів тепло- і масообміну рідини з парою, особливо на ранній, нестаціонарній стадії процесу.

Рис.4. Зміна температури і маси краплин в процесі їх падіння в камері випаровування з різною початковою швидкістю: = 0,3 м/с, 1 м/с і 10 м/с при значеннях = 0,125 мм, = 95°С, = 55°С і = 10 кПа.

Результати обчислювального експерименту показали, що незалежно від заданих вихідних параметрів роботи апарата і ступеня диспергування рідини перехід в стабільний режим роботи апарата завершується за короткий час (порядку 1 с). За цей час в апараті стабілізуються величини тисків і температур в обох фазах. Значення стабільних параметрів можуть як співпадати з характеристиками ідеального режиму роботи, так і суттєво відрізнятись від них.

Модель надає можливість визначити оптимальні величини середніх розмірів краплин у факелі розпилення та їх початкові швидкості на виході з форсунок і на цій основі обґрунтувати вибір раціональних розпилювальних пристроїв з урахуванням їх технічних характеристик і економічності, а також дати рекомендації щодо габаритів камер апарата.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних і аналітичних досліджень тепломасообмінних та гідромеханічних процесів, які протікають в апараті ТВО в процесі його роботи. Дослідження проводились з метою визначення ККД реального апарата, який застосовується у виробництві та рекомендації шляхів наближення його енергетичної ефективності до ідеального режиму.

Експериментальний стенд створено на основі промислового апарата ВГ-5 (рис.1), розміщеного в цеху молочного заводу ВАТ «МОЛДОМ» (м. Кривий Ріг). Висота кожної камери дорівнює 60 см, а ширина - 30 см. В камерах конденсації рідина розпилюється гідравлічними щілинними форсунками з діаметром патрубка 50 мм та 24 щілинами, симетрично розміщеними на стінці патрубка. Довжина щілини - 10 мм, товщина - 1мм. Розпилення рідини у випарних камерах відбувається внаслідок інтенсивного адіабатного закипання рідини в спеціальних патрубках довжиною 15 см і діаметром 5 см. Через отвір на дні камери (= 8 см) рідина відводиться за допомогою відцентрових насосів Я9.ОНЦ-1. В обох секціях площа поперечного перерізу з'єднувальних патрубків становить 100 см².

Промислово-дослідний апарат ВГ-5, який входить в технологічну лінію обробки молока, було оснащено спеціальними датчиками тиску і температури, призначених для реєстрації цих показників в рідинній і в паровій фазах на послідовних стадіях обробки рідини. Датчики для вимірювання тиску і температури рідини були встановлені на вході і виході всіх камер, на виході з продуктових насосів та з нагрівача. Датчики для вимірювання тиску і температури пари в камерах були розміщені в з'єднувальних каналах ВК₁ та ВК₂.

Температура вимірювалась термопарами ТХК (= 200 мкм) з виведенням результатів на комп'ютер і записом їх в базу даних. Використовувались два модулі аналогового вводу для підключення термопар ICP DAS I-7018P, які, в свою чергу, через конвертер EXPERT EX-9530 підключались до комп'ютера з відповідним програмним забезпеченням, що дозволяло одночасно реєструвати покази кожної термопари з точністю 0,1 К та інтервалом часу від 0,1 с, вести базу даних результатів вимірювань і подавати їх у вигляді таблиці або графіка для заданого проміжку часу.

Тиск у рідинному тракті вимірювався манометрами з точністю 10 кПа, у паровому - вакуумметрами з точністю 2 кПа.

Об'єктами досліджень були молоко і водопровідна вода (в ролі модельної рідини), які суттєво відрізняються за фізико-хімічними складом, але близькі за теплофізичними показниками, детально розглянутими в роботі. Експериментальні дослідження для обох рідин проводились за однакових умов.

Дослідження проводились при значеннях температури рідини на вході в апарат в інтервалі 4ч23°С, температурі рідини на виході з нагрівача (пастеризатора) - в інтервалі 82ч95°С і при постійній масовій витраті рідини в апараті =1,5^.кг/с. Результати експерименту показали відсутність теплових втрат в трубопроводах апарата, що підтверджує виконання другої умови ідеального режиму. Встановлено, що в стабільному режимі параметри роботи апарата не залежать від природи досліджених рідин. При заданих режимних параметрах всі вимірювані показники в паровому і рідинному трактах були однаковими для молока і води. Тиск пари в камерах першої секції знаходився в межах 2025 кПа, а в другій секції - в межах 515 кПа.

Рис.5. Значення тисків на вході і виході продуктових насосів при обробці молока і води.

Вимірювання показали відсутність різниці температур на вході і на виході з насосів, так що при розрахунку теплового балансу по рідинному тракту нагріванням рідини в насосах можна знехтувати. Всі насоси працюють під вакуумом на вході, але лише насоси 2 і 4, в яких перепади тиску () надмірно великі, працюють в нестабільному режимі, що пов'язано з ініціюванням потужних кавітаційних явищ в цих двох насосах (рис.5). Це в певній мірі впливає на величину потужності насоса, але ці енергетичні витрати доволі невеликі у порівнянні з витратами енергії, пов'язаними з відхиленням від ідеального режиму.

Рис.6. Зміна температури води на послідовних етапах обробки (а) і тиску пари в камерах (б) за умов = 8°С, = 95°С. Порівняння експериментальних даних (1) з розрахунками для ідеального режиму (2).



Результати вимірювання температури вздовж рідинного тракту апарата і тиску пари в камерах порівнювались з відповідними результатами розрахунку ідеального режиму при однакових значеннях , , . На рис.6а наведено результати порівняння для одного з режимів. На рисунку видно, що друга умова ідеального режиму виконується ( і ), проте перша і третя умови не виконуються, що зумовлено недостатнім ступенем диспергування рідини в камерах конденсації. На гістограмі (рис.6б) видно, що тиск в камерах апарата також не досягає показників ідеального режиму, особливо у другій секції.

Наведені на рисунках результати характерні для всіх досліджених режимів. Виявилось, що на виході з камер конденсації рідина (молоко і вода) залишається недогрітою відносно значень ідеального режиму, а на виході з випарних - перегрітою. Причини такого недогріву або перегріву було розглянуто в розділі 3.

Аналіз результатів дослідження показав, що підвищення ефективності апаратів ТВО безпосередньо пов'язане з вибором оптимальних розпилювальних пристроїв, в першу чергу, в конденсаційних камерах. Доведено, що відхилення від умов ідеального режиму в будь-якій камері негативно впливає на ККД апарата в цілому.

В розділі детально проаналізовано недоліки і переваги застосування щілинних і відцентрових форсунок в камерах апарата ТВО. Розглянуто механізм руйнування віялових плівок в щілинних форсунках і розраховано середній розмір краплин в залежності від кількості щілин, їх ширини та діаметра патрубка, а також від густини пари в камері. Проведено розрахунки середнього розміру краплин у факелі розпилення, створеного гідравлічними відцентровими форсунками. Показано, що при раціоналізації конструкції щілинних форсунок з метою збільшення ступеня диспергування їх використання в даній технології більш перспективне, завдяки простоті і надійності в роботі. Суттєвим є те, що вертикальна складова початкової швидкості віялових плівок на виході з форсунки дорівнює нулю.

За даними експерименту на базі моделі визначено середні величини розміру краплин у факелі розпилення для кожної камери. Встановлено, що середній діаметр краплин монодисперсного факела у випарних камерах становить близько 200 мкм, в той час як на вході в конденсаційні камери загальна площа міжфазної поверхні рідини відповідає сумарній поверхні краплин з ефективним діаметром 3 ч 6 мм.

Для підвищення ККД апарата ТВО форсунки в конденсаційних камерах мають забезпечити у факелі розпилення приблизно такий розмір краплин, як у випарних камерах. Тільки за такої умови температура рідини на виході з конденсаційної та випарної камер кожної секції обов'язково досягне одного і того ж рівноважного значення. Ці вимоги визначають вибір оптимального розміру камер при виконанні умов мінімізації габаритів апарата і його металоємності. Сукупність зазначених факторів враховувалась при створенні апаратів продуктивністю 15ч20 т/год стосовно до їхнього використання в технології термовакуумної обробки.

Аналіз показав, що за годину роботи економія енергії в апараті ТВО продуктивністю =5 т/год при зменшенні недогріву молока перед входом в пастеризатор лише на 1°С складає 5 Мкал, або 5,8 кВт-год. При зареєстрованому в експерименті реальному недогріві молока перед пастеризатором на 710°С витрати енергії за годину внаслідок недогріву збільшуються приблизно до 40 Мкал, або 45 кВт-год. Беручи до уваги невисокі ККД холодильників і зареєстровані в експерименті високі ступені перегріву молока на виході з апарата, загальні витрати теплової енергії, пов'язані з відхиленням роботи від ідеального режиму повинні бути в 2ч2,5 рази вищими, тобто оцінюватись приблизно в 100 кВт-год. Це доволі високі втрати енергії, враховуючи, що сумарна витрата енергії на роботу п'яти насосів, застосованих в апараті, становить 27 кВт-год. Зрозуміло, що при впровадженні у виробництво апаратів ТВО високої продуктивності з таким рівнем ККД непродуктивні втрати енергії зростатимуть пропорційно продуктивності.

У п'ятому розділі розглянуто принципи створення аналітичної методики розрахунку апаратів ТВО з метою вибору раціональної конструктивної схеми, яка має забезпечити досягнення оптимальних режимів роботи, тобто виконання основних умов ідеального режиму з метою зменшення непродуктивних енергетичних витрат. Методика розрахунку базується на математичній моделі, наведеній в розділі 3, яка була апробована при аналізі результатів експерименту, проведеного на дослідно-промисловому апараті.

Вихідними параметрами для розрахунку є теплофізичні параметри паро-рідинної системи (, , , , , , і ) та їх залежності від температури і тиску. Задаються значення продуктивності і температур і .

Методика розрахунку апарата ТВО включає наступні етапи.

1. Вибір раціональних розпилювальних пристроїв з урахуванням їх економічності і надійності в роботі. Враховуючи високу ступінь диспергування рідини на вході в камери випаровування внаслідок адіабатного закипання, механічні форсунки застосовуються лише в камерах конденсації. Показано, що найбільш придатними є гідравлічні розпилювачі з застосуванням щілинних або відцентрових форсунок.

2. Розрахунок висоти камер. Висота камери визначається з урахуванням максимального розміру краплин, їх швидкості і кута факела, які здатний забезпечити попередньо вибраний розпилювальний пристрій. Для заданих значень і за допомогою моделі оцінюється мінімальна висота камери при якій краплини встигають за час падіння прогрітись до рівноважної температури.

3. Розрахунок ширини камер. При виборі в ролі розпилювача гідравлічної відцентрової форсунки з відомим кутом факела розпилу розраховується горизонтальна складова швидкості і за допомогою моделі визначається оптимальна відстань між стінками камери і траєкторія краплин в об'ємі камери. При виборі щілинної форсунки по методиці, наведеній в розділі 4, оцінюється відстань, на якій середній діаметр краплин, що утворюються при руйнуванні віялових плівок, відповідає заданому значенню. При цьому враховується фактор їх вторинного подрібнення внаслідок динамічної взаємодії струмини рідини зі стінкою. Слід брати до уваги, що для збереження оптимальних умов роботи об'єми камер повинні зростати пропорційно продуктивності апарата.

4. Розрахунок площі прохідного перерізу з'єднувальних каналів . Оптимальна величина площі перерізу каналу повинна бути достатньою для забезпечення рівності тисків в обох камерах і запобіганню небажаному потраплянню рідини з камери в камеру . Величина розраховується з рівняння (13).

5. Вибір вакуумного насоса. Продуктивність вакуумного насоса оцінюють з міркувань мінімізації концентрації нейтрального газу в парі, оскільки присутність нейтрального газу в об'ємі камер зменшує ефективність апарата ТВО. Раціональний вибір продуктивності вакуумного насоса при заданій продуктивності апарата має забезпечити оптимальне співвідношення енергетичних втрат, пов'язаних з присутністю нейтральних газів, і матеріальних втрат внаслідок відкачування пари.

6. Відцентрові продуктові насоси вибирають, виходячи з продуктивності апарата. Враховуючи, що у даній технології в усіх камерах тиск рідини на вході в насос близький до критичного, особливу увагу слід приділити забезпеченню достатнього кавітаційного запасу насоса, особливо для насосів на виході з камер і , які повинні забезпечувати високі значення тиску на виході.

За допомогою наведеної вище методики проведено розрахунок апарата ТВО продуктивністю 15 т/год, який було виготовлено і впроваджено у виробництві молочних продуктів на ВАТ "Чернігівський молочний завод", що підтверджено актом впровадження. В дисертації подані технологічна схема, загальний вигляд апарата і його технічні характеристики.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Проаналізовано процеси тепломасообміну та гідродинамічні процеси в рідинному та паровому трактах апарата ТВО. Визначено критерії ефективності цих апаратів і запропоновано формулу для оцінки їх теплового ККД.

2. Сформульовано необхідні умови ідеального режиму роботи, при якому ККД апарата досягає максимального граничного значення, і розглянуто основні фактори, які забезпечують підвищення ефективності роботи апаратів ТВО.

3. Вперше створено універсальну математичну модель, яка в широкому інтервалі зміни режимних параметрів адекватно описує стаціонарну і нестаціонарну стадії випаровування і конденсаційного зростання одиничної краплини при її переміщенні як в перегрітій парі, так і в парогазовому середовищі.

4.Показано, що врахування градієнта температури і кондуктивного переносу тепла всередині краплини є обов'язковим при оцінці тривалості нестаціонарної стадії процесу випаровування і конденсації.

5. На основі базової моделі кінетики випаровування і росту одиничної краплини розроблено математичну модель, яка в рамках конденсаційно-випарної схеми описує як процеси тепло- та масообміну між парою і рідинною фазами в камерах апарата, так і тепломасообмін між камерами по паровому тракту.

6. Проведено обчислювальні експерименти по дослідженню взаємопов'язаних процесів в рідинному і паровому трактах, які довели здатність моделі адекватно прогнозувати роботу апарата при заданих режимах і моделювати умови, які забезпечують зменшення непродуктивних витрат енергії.

7. На дослідно-промисловому зразку апарата продуктивністю 5 т/год в умовах виробництва проведені експериментальні дослідження з реєстрацією тиску і температури в рідинному і паровому трактах при термовакуумній обробці молока та води. Встановлено, що непродуктивні витрати теплової енергії в промислових апаратах цього типу досягають близько 30 % від загальних енергетичних витрат.

8. Проведений за допомогою моделі аналіз результатів експерименту дозволив обґрунтувати шляхи наближення роботи апарата до умов ідеального режиму. Встановлено, що радикальним засобом збільшення ККД апаратів ТВО є підвищення ступеня диспергування рідини в конденсаційних камерах.

9. Створено аналітичну методику розрахунку апаратів ТВО, яка лежить в основі удосконалення роботи апаратів цього типу і розробці нових модифікацій.

10. Результати дисертаційної роботи і сформульовані на їх основі науково обґрунтовані рекомендації застосовані при розробці промислового апарата ТВО підвищеної продуктивності (15 т/год), який впроваджено на підприємстві ВАТ «Чернігівський молочний завод».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Иваницкий Г. К. Пути снижения энергетических затрат в технологии термомеханической обработки биологически активных продуктов / Г. К. Иваницкий, Б. Я. Целень, А. Е. Недбайло // Пром. теплотехника. - 2008. - Т. 30, № 6. - С.84-88.

(Внесок здобувача: розробка методики експерименту, проведення експерименту, обробка даних та підготовка матеріалів до публікації).

2. Шурчкова Ю. О. Особливості якісних змін білкового складу молока в процесі термовакуумної обробки / Ю. О. Шурчкова, В. О. Ромоданова, А. Є. Недбайло, Б. Я. Целень // Харчова і переробна промисловість. - 2009. - № 1. - С. 25-27.

(Внесок здобувача: участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці даних та підготовці матеріалів до публікації).

3. Иваницкий Г. К. Тепло- и массообмен при испарении и конденсационном росте капель в воздухе и в перегретом паре / Г. К. Иваницкий, Б. Я. Целень // Пром. теплотехника. - 2009. - Т. 31, № 6. - С. 56- 63.

(Внесок здобувача: участь у розробці та апробації математичної моделі, обробці даних та підготовці матеріалів до публікації).

4. Иваницкий Г. К. Распределение температуры в объеме сферической капли в процессе нестационарного испарения / Г. К. Иваницкий, Б. Я. Целень // Промышленная теплотехника. - 2009. - Т. 31, № 7. - С. 117-121.

(Внесок здобувача: участь у розробці та апробації математичної моделі, обробці даних та підготовці матеріалів до публікації).

5. Долинский А. А. Оптимизация тепломассообменных и гидродинамических процессов в технологии термовакуумной обработки молока /А. А. Долинский, Ю. А. Шурчкова, Г. К.Иваницкий, Б. Я. Целень // Наука та інновації. - 2010. - Т.6, №1. - С. 59-69.

(Внесок здобувача: участь у розробці та апробації математичної моделі, розробка методики і проведення експериментальних досліджень, участь у впровадженні апарата у виробництво, обробка даних та підготовка матеріалів до публікації).

6. ІІІ международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008» : труды конференции / Иваницкий Г. К., Шурчкова Ю. А., Целень Б. Я. Оптимизация тепломассообменных и гидродинамических процессов в аппарате «Дивэмилк». - М. : 2008. - Т. 2. - С. 262-264.

7. Материалы XXIII научной конференции стран СНГ «Дисперсные системы» /Г. К. Иваницкий, Б. Я. Целень. Взаимодействие капель распыленной жидкости с перегретым паром в процессах конденсации и испарения. - Одесса : 2008. -С. 156-157.

8. Материалы XXIII научн. конф. стран СНГ «Дисперсные системы» / Г. К. Иваницкий, Б. Я. Целень. Анализ процессов тепломассообмена в конденсационно-испарительной схеме регенерации теплоты. - Одесса : 2008. - С. 158-159.

9. Тези доповідей VI Міжнародної науково-практичної конференції аспірантів, магістрантів і студентів: «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики» SPW-2008 / Іваницький Г. К., Целень Б. Я. Оптимізація енергетичних витрат в апараті Дівемилк. - К. : 2008. - С. 24.

10. Збірник тез доповідей V всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів» / Целень Б. Я., Іваницький Г. К. Зниження енергетичних витрат в технології термомеханічної обробки біологічно активних продуктів. - К. : 2009. - Ч. 1. - С. 18-19.

11. Труды международного научно-технического семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов. К столетию А. В. Лыкова» / Иваницкий Г. К., Целень Б. Я. Моделирование тепломассообменных процессов в технологии термовакуумной обработки жидких сред. - Воронеж : 2010. - С. 172-174.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ ТА ІНДЕКСИ

- масова витрата; - масовий потік; - теплота випаровування; - шлях; - маса; - тиск; - тепловий потік; - радіус; - площа; - температура; - об'єм; - швидкість; - відносна швидкість; - коефіцієнт випаровування; - коефіцієнт теплопровідності; - динамічна в'язкість; - випаровування; -конденсація; - термовакуумна обробка.

Індекси: - початкове значення; - кипіння; - краплина; - газ; - рідина; - тиск; - радіус; - поверхня; - насичення; - пара; - координати; - вакуум; - вихід; - вхід; - гаряча рідина; - ідеальний - нагрівач; - холодильник, холодна рідина.

АНОТАЦІЯ

Целень Б. Я. Тепломасообмін та гідродинаміка при термовакуумній обробці рідин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика» - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2010.