Характеристика термомеханічних агрегатів на основі ротаційних термосифонів (РТС) і методів їх розрахунку й оптимізації: вплив конструктивних і режимних параметрів на інтенсифікацію тепловіддачі до продукту; внутрішня задача кризи теплопередачі у РТС.
Аннотация к работе
Харчовою промисловістю виробляється і переробляється значна кількість продуктів, теплова і механічна поведінка яких відрізняється від ньютонівських рідин. Теплофізичні властивості і специфічна поведінка ННР роблять неможливою інтенсифікацію процесів термообробки традиційними методами, крім того, при термообробці харчових ННР змінюється якість продукту в залежності від тривалості теплового впливу, йде процес інтенсивного створення накипу. Для інтенсифікації процесу термообробки необхідно зруйнувати внутрішню структуру ННР і ІЗМУСИТИІ її поводитися максимально близько до ньютонівської рідини. Рішенням згаданих проблем є застосування нового класу апаратів на базі автономних двофазних теплопередаючих модулів (теплові труби, термосифони), за допомогою яких можливо реалізувати комплексний тепловий і механічний вплив на продукт і знизити енерговитрати на процес. У дисертації захищається наукове положення: комбінована теплова та механічна дія на продукт за допомогою одного модуля, який працює в режимі випарниково-конденсаційного контуру, сприяє ефективному руйнуванню загального теплового та гідродинамічного приграничного шару, що збільшує інтенсивність процесів переносу та максимально наближує поведінку ННР до ньютонівських, при цьому ступінь інтенсифікації зростає із збільшенням вуязкості продукту.
Список литературы
За результатами дисертації опубліковано 13 робіт, у тому числі 6 у збірниках наукових праць, 4 у збірниках матеріалів конференцій, 2 у науково-практичних журналах, 1 у міжнародному науково-практичному журналі.
Структура та обсяг роботи
Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаної літератури та 1 додатку (3 сторінки). Основний зміст викладений на 71 сторінці машинописного тексту, містить 55 рисунків (30 сторінок), 11 таблиць (4 сторінки), список літератури з 123 найменувань. ротаційні термосифони тепловіддача продукт
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.
У першому розділі, на основі виконаного аналізу властивостей ННР, запропонована класифікація неньютонівських харчових рідин.
Розглянуто поведінку харчових ННР в залежності від граничного напруження (то) та швидкості зсуву (dw/dn). Обрано діапазон граничних напружень і швидкості зсуву (рис. 1), в області яких неньютонівські харчові рідини поводяться максимально близько до ньютонівських. Таке наближення необхідне для коректності проведення експерименту.
Рис. 1 Діапазон граничних напружень та швидкостей зсуву.
Розглянуто термомеханічне устаткування, яке застосовується в промисловості для обробки ННР, виявлені його недоліки і слабкі елементи. Показано необхідність пошуку нових методів інтенсифікації стосовно до ННР. Проаналізовано світовий досвід застосування теплових труб і термосифонів як ефективних автономних теплопередаючих модулів. Запропоновано класифікацію термомеханічних агрегатів. Її розвитком є новий клас-автономні термомеханічні агрегати на основі РТС. Виділено особливості і переваги апаратів з РТС у порівнянні з відомими типами теплообмінних апаратів. Обґрунтовано необхідність застосування автономних апаратів з РТС для обробки харчових ННР і сформульовані загальні задачі досліджень.
Другий розділ присвячений моделюванню процесів в апараті з РТС (рис. 2).
При підведенні енергії до випарника 8, в ньому утворюється пара теплоносія, яка поступає в конденсатор РТС 2. Система конденсатор-випарник відвакуумована і утворює ротаційний термосифон. Продукт стикається з конденсатором РТС, здійснюється його термообробка. Пара теплоносія конденсується і під дією сил тяжіння повертається у випарник. Таким чином в РТС здійснюється замкнутий випарниково-конденсаційний цикл.
Моделюючи процеси в апараті з РТС, необхідно розділяти задачу на внутрішню і зовнішню. При постановці внутрішньої задачі зроблений аналіз факторів, що впливають на інтенсивність теплопередачі в ротаційних термосифонах.
Визначено функцію критичного числа Фруда Frk, при якому настає замикання конденсату в трубках конденсатора: (1) де n-частота обертів РТС. Умова, при якій наступить криза теплопередачі в конденсаторі РТС-Frki1.
Розроблено методику узагальнення результатів експерименту. Сумарне число Нусельта (Nu) дорівнює сумі чисел Нусельта при лінійному русі продукту (Nul) і при перемішуванні (Nun): (2)
В залежності від значення лінійного числа Рейнольдса (Rel) Nul розраховували за таблицею 1. Лінійна розрахункова модель.
1< Rel < 107Rel < 1
формулам таблиці 1. В рівняннях таблиці 1: Nuлам-число Нусельта при ламінарному русі продукту, Nuтурб-число Нусельта при турбулентному русі продукту.
При постановці зовнішньої задачі на основі принципів методу аналізу розмірностей отримана структура рівнянь для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі a. У загальному виді рівняння, отримане за допомогою методу аналізу розмірностей виглядає таким чином: Nun=¦(Rel, Rem, Pr, g/go), чи: (3) де Nun=(ad/l)-число Нусельта при перемішуванні, А-константа рівняння, Rel= (wdr/m)-лінійне число Рейнольдса, Rem=(rd2n/m)-число Рейнольдса модифіковане, Pr, (MCP/l)-число Прандтля, g-кут нахилу конденсатора РТС, go-початковий кут нахилу конденсатора РТС, k1, k2, k3, k4-показники ступеня.
Розроблено методи експериментального моделювання, проведена оцінка погрішності експерименту. Помилка складає 12 %. Визначення показників ступеня k1, k2, k3, k4, константи А є метою експериментальних досліджень.
У третьому розділі в ході експериментальних досліджень вивчена кінетика теплообміну в залежності від типу продукту, а також від конструктивних параметрів РТС. Діапазон експериментального моделювання відображено в таблиці 2. Досліджено вплив кута нахилу РТС (g), частоти обертання РТС (n), витрат (W), властивостей продукту (r, l, m, Ср), його концентрації (а) на інтенсивність тепловіддачі (рис. 3-6). Модельні рідини обрано таким чином, що їх властивості змінюються від ньютонівської рідини (вода) до мастила Т-46-неньютонівської рідини. Коефіцієнт тепловіддачі зростає із збільшенням частоти обертів РТС, витрат продукту, його концентрації. Проведені дослідження доводять ефективність застосування апарата з РТС до рідин неньютонівської групи.
ПРОДУКТВИТРАТИ, WЧ106Нахил РТС, GЧАСТОТА обертів, NТИСК в конденсаторі, Р м3/сград.с-1МПА
Вода0е1715е300е0,8 0,02е0,12
Цукровий р-н. (а=10е30%)0е330
Мастило Т-460е75е20
Абрикосове пюре020
Для води-ньютонівської рідини, коефіцієнт тепловіддачі зростає із збільшенням частоти обертів, кута нахилу РТС, витрат. Значний вплив на тепловіддачу має величина витрат модельного продукту. Про це свідчить розшарування одержаних залежностей (рис. 3).
Рис. 3. Коефіцієнт тепловіддачі до води (g/go=15о).
Рис. 4. Коефіцієнт тепловіддачі до цукрового розчину (g/go=30о).
Для цукрового розчину різної концентрації-слабоненьютонівської рідини, вплив витрат на тепловіддачу не такий значний, як для води-значення коефіцієнтів тепловіддачі без перемішування незмінні (ао”280 Вт/м2ЧК). Значний вплив на тепловіддачу має частота обертів РТС (рис. 4).
Для мастила Т-46-неньютонівської рідини, якісний характер залежностей найбільш виражений-значення коефіцієнтів тепловіддачі без перемішування незмінні (ао”20 Вт/м2ЧК), тепловіддача при зростанні обертів максимальна (рис. 5,6). Спостерігається значний вплив кута нахилу на тепловіддачу. Це можна пояснити поліпшенням гідродинамічного стану в конденсаторі РТС.
Рис. 5. Коефіцієнт тепловіддачі до мастила Т-46 (g/go=5о).
Рис. 6. Коефіцієнт тепловіддачі до мастила Т-46 (g/go=15о).
За ступінь інтенсифікації процесу прийнято співвідношення a/ao. Ступінь інтенсифікації для води становить a/ao=2 (рис. 7). Інтенсифікації процесу за рахунок збільшення витрат продукту та кута нахилу РТС практично не спостерігається.
Для цукрового розчину a/ao=2е3 (рис. 8). Ступінь інтенсифікації зростає із збільшенням витрат продукту та концентрації.
Рис. 7. Ступінь інтенсифікації для води.
Рис. 8. Ступінь інтенсифікації для цукрового розчину (g/go=30о).
Ступінь інтенсифікації для абрикосового пюре a/ao=3 (рис. 9), мастила T-46-a/ao=10е20 (рис. 10).
Обробка масиву експериментальних даних в числах подібності (рис. 11,12) дозволяє рекомендувати для розрахунку середнього значення коефіцієнта тепловіддачі співвідношення (2), де: Nun=0,1 (1 Rem)0,4 (1 Rel)0,33 Pr 0,43 (g/go)0,28(4)
Порівняння експериментальних значень чисел Нусельта (Nue) та розрахункових (Nup) за (4) показує, що помилка не перевищує ±12%.
Рис. 9. Ступінь інтенсифікації для абрикосового пюре (g/go=20о).
Рис. 10. Ступінь інтенсифікації для мастила Т-46 (g/go=20о).
Рис. 11. Залежність Nun/(1 Rel)0,33Pr0,43(g/g0)0,28 =¦(Rem).
Рис. 12. Залежність Nue= ¦(Nup).
У четвертому розділі наведена інженерна методика розрахунку термомеханічних агрегатів (ТМА) з РТС. Методика представлена у вигляді узагальненої структури розрахунку і набору блок-схем для розрахунку самостійних етапів (рис. 13).
Рис. 13. Загальний алгоритм розрахунку ТМА.
Ключовим моментом методики теплового розрахунку є основний результат експериментального моделювання-узагальнена критеріальна залежність (4) (рис.14).
Рис. 14. Блок-схема теплового розрахунку апарата. Позначки: D-діаметр конденсатора РТС; d- діаметр трубки конденсатора РТС; t2-кінцева температура продукту; t1-початкова температура продукту; тт-температура теплоносія; тср-середня температура продукту; w-швидкість плину продукту; m-вага продукту (для апарату періодичної дії); Dt-час нагріву продукту (для апарату періодичної дії); W-витрати продукту (для апарату непреривної дії), а1-коефіцієнт тепловіддачі при конденсації пари теплоносія, d-товщина стінки конденсатора, lct-теплопровідність стінки конденсатора.
Загальний алгоритм розрахунку ТМА реалізований в інструментальній оболонці Visual Basic. Програма дає високий ступінь точності (рис. 15) при розрахунках коефіцієнтів тепловіддачі (у межах 12%). Програму використано для дослідження кризи теплопередачі у РТС (рис. 16), проведення компютерного моделювання процесу тепловіддачі в апараті з РТС для різних типів харчових ННР (рис. 17, 18), встановлення для них ступеня інтенсифікації процесу (рис. 19, 20).
Рис. 15. Порівняння експериментальных та розрахункових даних (W=1Ч10-6 м3/с; g=30о).
Рис. 16. Криза теплопередачі (W=1Ч10-6 м3/с).
Таким чином отримано діапазон ефективної роботи апарата з РТС в залежності від частоти обертів та кута нахилу конденсатора (n=2,7е9 c-1, g/go=5е90o) (рис. 16). На рисунку області, в яких Fri1, виділено темним кольором.
Рис. 17. Значення коефіцієнтів тепловіддачі (g/go=30о; W=0 м3/с).
Рис. 18. Значення коефіцієнтів тепловіддачі (g/go=30о; W=0,2Ч10-3 м3/с).
Рис. 19. Ступінь інтенсифікації (g/go=30о; W=0 м3/с.
Рис. 20. Ступінь інтенсифікації (g/go=30о; W=0,2Ч10-3 м3/с).
Ступінь інтенсифікації для групи харчових бінгамовських ННР, особливо для томатної пасти, яблучного пюре, складає 2,5е6 (рис. 19,20). Він значно вищий в порівнянні з іншими харчовими ННР.
Длв врахування теплофізичних властивостей рідин при компютерному моделюванні процесу тепловіддачі отримано їх функції від температури (t) та концентрації (а) (кількості сухих речовин). Наприклад, для яблучного пюре такі властивості наведено в таблиці 3.
Для зручності інженерних розрахунків апаратів побудована номограма (рис. 21).
Рис. 21. Номограма для визначення коефіцієнту тепловіддачі a.
В першому квадранті номограми вибираємо необхідний продукт і температуру його обробки, переходимо в другий квадрант-одержуємо число Прандтля при заданих умовах. В третьому квадранті вибираємо необхідну величину витрат продукту, в четвертому-кут нахилу РТС. В результаті, в пуятому квадранті одержуємо коефіцієнт тепловіддачі для заданого продукту при заданій частоті обертів конденсатора РТС.
При застосуванні базової схеми обробки яблучного пюре енергія палива (Эп) трансформується в енергію гріючої пари (Эг), пара транспортується до апарата. Виникають втрати при спалюванні палива (Qвт1), в парогенераторі (Qвт2), при транспортуванні пари до апарату (Qвт3), від стінок апарату (Qвт4), з конденсатом, який відводиться (Qвт5) (рис 22 а).
Рис. 22. Модель трансформації, транспортування, втрат енергії : а) базова схема; б) схема з РТС.
Виходячи з результатів компютерного моделювання зроблені розрахунок і аналіз ефективності застосування апарата в лінії по виробництву яблучного повидла. Термообробка продукту організована слідуючим чином: яблучне пюре з початковою концентрацією сухих речовин (ап=11%) нагрівають в вакуум випарному апараті до температури кипіння (ткип.=75 ОС), при тиску в апараті (рап.= 0,034 МПА).
Таблиця 4. Ефективність ТМА в технології виробництва яблучного повидла
Базова СХЕМАТЕРМОМЕХАНІЧНИЙ агрегат (n=6,7 с-1).
Нагрів пюре до кипіння
Dt1=200 CDT1=150 с
Випарювання пюре до а1=16%
Dt2=1470 CDT2=1020 с
Нагрів пюре з цукром до кипіння
Dt3=10 CDT3=7 с
Випарювання суміші
Dt4=2400 CDT4=1660 с ет=4080 сет=2840 с
Після чого випарюють пюре до концентрації сухих речовин (а1=16%), додають цукровий розчин, нагрівають отриману суміш до температури кипіння, випарюють отриману суміш до концентрації сухих речовин (ак=65%). Тривалість окремих етапів термообробки приведено в табл. 4 (базова схема). Застосування апарата з РТС в лінії виробництва яблучного повидла дає можливість скоротити час процесу обробки продукту в 1,4 рази (табл. 4). Крім того, застосовуючи схему з РТС можливо уникнути втрат при транспортуванні пари до апарату і з конденсатом, який відводиться (рис. 22 б), таким чином, зменшити питомі енерговитрати з 3,8 МДЖ/кг до 2,5 МДЖ/кг а також знизити витрати палива в одному технологічному циклі з 47,5 кг до 31,7 кг.
ВИСНОВКИ
У результаті роботи встановлено наступне: 1.Проведений комплекс аналітичних і експериментальних досліджень підтвердив можливість істотної інтенсифікації процесів тепловіддачі в апаратах з РТС до харчових ННР. Ступінь інтенсифікації збільшується в 2е20 раз (рис. 7-10).
2.Інтенсифікація процесу тепловіддачі в апараті з РТС зростає із збільшенням частоти, кута нахилу РТС, витрат, вуязкості продукту (рис. 3-6). Так для води (ньютоновської рідини) ступінь інтенсифікації незначний (рис. 8), цукрового розчину різної концентрації (слабоненьютоновської рідини) ступінь інтенсифікації збільшується (рис. 9), мастила Т-46 (неньютоновської рідини) ступінь інтенсифікації максимальний (рис. 7). Таким чином визначальний вплив на процес має частота обертів РТС і вуязкість продукту.
3.Критичне число Фруда являє собою функцію частоти обертів, діаметра, кута нахилу РТС (1). За даними компютерного моделювання діапазон ефективної роботи апарата з РТС в залежності від частоти обертів та кута нахилу конденсатора лежить в межах n=2,7е9 c-1, g/go=5е90o (рис. 16). Найбільш ефективно апарат з РТС працює з вертикально зорієнтованим конденсатором.
4.Запропонована методика теплового розрахунку враховує вплив лінійного руху продукту (табл. 1) та перемішування (4) на інтенсивність процесів тепловіддачі. Задовільне узгодження експериментальних даних (похибка 12%) з моделлю (2) свідчить, що запропонований механізм коректний (рис. 12).
5.За допомогою розробленої інженерної методики можливо проводити розрахунок процесів тепловіддачі (рис. 17, 18), ступеня інтенсифікації (рис. 19, 20) в апараті з РТС для широкого діапазону харчових ННР з точністю (12%) (рис. 15).
6.За даними компютерного моделювання ступінь інтенсифікації для групи харчових бінгамовських ННР, особливо для томатної пасти, яблучного пюре, складає 2,5е6 (рис. 19, 20). Він значно вищий в порівнянні з іншими харчовими ННР. Таким чином застосування апарата з РТС найбільш ефективне для вказаної групи харчових ННР.
7.За результатами розрахунків застосування апарата на КП ІМУРАФСЬКИЙ консервний ЗАВОДІ, в лінії по виробництву яблучного повидла дає можливість скоротити час процесу обробки продукту в 1,4 рази, а також знизити витрати палива в одному технологічному циклі з 47,5 кг до 31,7 кг і зменшити питомі енерговитрати з 3,8 МДЖ/кг до 2,5 МДЖ/кг (табл. 4).
Список опублікованих праць по темі дисертації
1Безбах І.В., Гайда С. Апарат з ротаційним термосифоном для термообробки вуязких продуктів // Наук. праці ОДАХТ.-Одеса.-1999.-вип. 20-с. 234-237.
Проведено аналітичні дослідження теплопередачі в ротаційному термосифоні.
2Безбах И. В., Бурдо О. Г. Термомеханический агрегат для дисперсных продуктов // Наук. праці ОДАХТ.-Одеса.-2001.-вип. 21-с. 112-115.
Автором запропоновано ідею сушарки з тепловим насосом.
3Безбах И. В. Інтенсифікація теплопереносу в апаратах з ротаційним термосифоном // Наук. праці ОДАХТ.-Одеса.-2001.-вип. 22-с. 147-152.
4Безбах И. В., Терзиев С. Г., Бурдо О. Г., Войтенко А. К. Интенсификация термообработки неньютоновских пищевых жидкостей // Наук. праці ОДАХТ.-Одеса.-2002.-вип. 23-с. 244-247.
Приведено розрахункову методику, дані компютерного моделювання.
5Безбах І. В., Войтенко О. К. Термомеханічний агрегат для оброблення вуязких харчових продуктів // Наук. праці УДУХТ.-Київ.-2001.-№ 10-с. 120-121.
Приведено нову конструкцію апарата, експериментальні дані.
6Гайда С., Безбах И. В., Войтенко А. К., Кныш А. И. Исследование термомеханических агрегатов с вращающимися термосифонами // Промышленная теплотехника.-2001.-Т. 22.-№ 3.-с. 147-152.
Приведено аналітичні дані по кризі теплопередачі в РТС, розглянуто зовнішню задачу тепловіддачі в системі ІРТС-ПРОДУКТІ.
7Гайда С., Зыков А. В., Безбах И. В. Совершенствование сушильной техники в АПК // Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной теплоэнергетике: Сборник материалов международной научн.-практ. конф. (23-26 октября 2000 г., г. Киев).-К.: Знание, 2000.-с. 14-15.
Автором проведено аналіз внутрішньої задачі кризи теплопередачі в РТС, зовнішньої задачі тепловіддачі в системі ІРТС-ПРОДУКТІ.
8Гайда С., Зыков А. В., Безбах И. В. Технико-экономические аспекты энергосбережения в зерносушении // Process engineering in prevention of environment: Сборник материалов XVII международной научной конференции.-г. Ополе, Польша.-1999.-с. 55-59.
Автором запропоновано застосування ротаційного термосифона для екологічно безпечних схем термообробки.
9Бурдо О. Г., Зиков О. В., Саламаха В. І., Безбах І. В. Дослідження апаратів для термообробки зерна // Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв ІССЕ-99: Збірник матеріалів Х міжнародної конференції.-ДУ ІЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКАІ, Львів.-1999.-с. 30-31.
Автором запропоновано застосування ротаційного термосифона для створення сушарок нових конструкцій.
10Захаров Н. Д., Бурдо О. Г., Безбах И. В. Совершенствование энерготехнологий АПК // ІТЕ Інтегровані технології та енергосбереження: Щоквартальний науково-практичний журнал. -Харків.-2001.-№ 2.-с. 3-6.
Автором розглянуто недоліки існуючих конструкцій термомеханічних агрегатів, виділено відмінні ознаки апарата з ротаційним термосифоном.
11Безбах І. В., Бурдо О. Г. Термомеханічний агрегат для дисперсних продуктів// Зернові продукти і комбікорми.-2001.-№ 3.-с. 52-55.
Автором визначено параметри сушарки з тепловим насосом.
12Бурдо О. Г., Терзиев С. Г., Зыков А. В., Безбах И. В. Пути совершенствования сушки в АПК // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов).-Т. 4. Секция 3. Сушка зерна. Секция 5. Энерго- и ресурсосбережение присушке и термовлажностной обработке материалов. М.: МГАУ 2002. с. 153-156.
Автором приведені дані по тепловіддачі до вуязких продуктів.
13Зыков А. В., Саламаха В. И., Безбах И. В., Айда Амор Развитие техники послеуборочной термообработки зерна // Пути повышения эффективности хранения и переработки сельскохозяйственной продукции: Сборник научных статей.-ОЦНТИ, Одесса.-1999.-с. 51-55.
Автором запропоновано застосування ротаційного термосифона для створення сушарок нових конструкцій.