автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Влияние гидродинамики на теплообмен при конденсации пара на трубе в зернистом слое

На правах рукописи

о

АЗИХАНОВ СЕРГЕЙ СЕЙФУДИНОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМЖИ НА ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА ТРУБЕ В ЗЕРНИСТОМ СЛОЕ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2009

00347003Э

003470039

Диссертация выполнена в ГУ Кузбасский Государственный технический университет на кафедре «Процессы машины и аппараты химических производств»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Петрик Павел Трофимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сорокопуд Александр Филиппович

кандидат технических наук Плотников Павел Валерьевич

Ведущая организация: ООО «Завод» г. Кемерово

Защита состоится «О!» июля 2009г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д.212.089.02 при ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Автореферат разослан «15» мая 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бакин И. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В пищевой промышленности широко распространены выпаривание, перегонка, ректификация, сушка и другие, весьма энергоемкие процессы. Проведение этих процессов требует сложного и дорогостоящего оборудования, это часто приводит к тому, что доли затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования и затрат на тепловую энергию при получении пищевых продуктов являются определяющими при оценке их себестоимости.

Таким образом, повышение интенсивности проведения теплообменных процессов в технологическом оборудовании является важной актуальной задачей, решение которой во многом влияет на эффективность использования теплообменного и массообменного оборудования, его производительность, и в конечном итоге на качество и себестоимость продукции.

Одним из самых распространенных процессов подвода и отвода тепла в пищевых технологиях является процесс поверхностной конденсации греющего пара или пара отводимого из аппарата. При этом значения коэффициентов теплоотдачи достигаются много выше чем, например, при конвективном теплообмене. В связи с этим, интенсификация теплообмена при конденсации пара является актуальной задачей эффективного использования тепло-и массообменного оборудования пищевых производств.

В большинстве случаев при решении этой задачи применяется оребре-ние поверхности конденсации ребрами различной конфигурации, при этом достигается эффект увеличения коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза. Однако такой способ интенсификации теплообмена значительно усложняет конструкцию аппарата и что не менее важно применим, как правило, только для трубных пучков расположенных горизонтально. В связи с тем, что в таких конденсаторах в трубном пространстве отвод тепла осуществляется за счет конвективного теплообмена, увеличение коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза со стороны пара приводит к росту общего коэффициента теплопередачи только на 10-15 %. Часто в пищевой промышленности встречаются процессы, в которых за счет тепла конденсации производится кипячение продукта, это, в первую очередь, относится к таким теплообменникам как кипятильники в процессах перегонки и ректификации, в греющих камерах выпарных аппаратов и др. В таких условиях, при той же интенсификации, производительность теплообменника может возрасти в 1,5-2 раза. Однако в этих аппаратах трубный пучок из технологических соображений может устанавливаться только вертикально, а оребрение труб может привести даже к отрицательному результату.

В экспериментальных работах Петрика П.Т., Богомолова А.Р., Афанасьева Ю.О. и др. показано, что в присутствии на поверхности конденсации зернистого слоя может привести к увеличению коэффициента теплоотдачи в 3-4 раза, причем интенсификация теплообмена наблюдалась на трубах любой ориентации в пространстве. Опыты проводились при конденсации хладонов

различных марок с применением зернистых слоев из стеклянных шариков. Полученные указанными авторами данные не позволяют определить границы применимости такого способа интенсификации. Для выявления параметров и объяснения процессов, влияющих на теплообмен в присутствии зернистого слоя необходимо проведение детальных гидродинамических исследований и в первую очередь выявления механизма взаимодействия между пленкой конденсата и частицами слоя и влияния на это взаимодействие поверхностных сил.

Цель работы и задачи исследований. Целью работы является установление механизмов гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на поверхностях в зернистых средах с различными условиями поверхностного взаимодействия между частицами слоя и стекающей жидкости. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

- проведение экспериментальных исследований гидродинамики жидкости и теплообмена при конденсации на поверхностях, помещенных в зернистый слой.

- исследование влияния краевого угла смачивания зернистого материала на гидродинамику и теплообмен при конденсации водяного пара на поверхности в зернистом слое.

Научная новизна 1. Впервые получены экспериментальные данные по теплообмену при конденсации водяного пара на поверхности вертикального и горизонтального цилиндра, помещенного в зернистый слой из стеклянных шариков с поверхностью элементов, как практически полного смачивания (контактный угол около 17°), так и частичного смачивания (контактный угол около 87°), что позволила освоенная автором методика модифицирования стеклянной поверхности.

2. При конденсации водяного пара на вертикальной трубе в засыпке происходит интенсификация теплообмена, а на горизонтальной трубе в исследуемом диапазоне параметров возможно ухудшение теплообмена. Гидро-фобность засыпки оказывает снижающее действие на интенсивность теплоотдачи.

3. Проведенные гидродинамические исследования позволили объяснить различия в закономерностях теплообмена полученных при конденсации пара на поверхности в зернистом слое.

4. Для случая конденсации пара на горизонтальной трубе предложен параметр, значение которого определяет диапазон возможности применения зернистого слоя для интенсификации теплообмена.

Практическая значимость и реализация. Полученные результаты и разработанные на их основе физические модели, проведенный анализ процессов гидродинамики и теплообмена при конденсации на поверхностях, помещенных в зернистый слой с различным контактным углом смачивания, позволяют осуществлять научно-обоснованный выбор оптимальных параметров технологических процессов и геометрических размеров тепломассооб-менных поверхностей.

По результатам исследований разработана конструкция конденсатора с применением зернистого слоя в качестве интенсификатора теплообмена, а также предложено устройство по удалению неконденсирующихся газов из межтрубного пространства поверхностных конденсаторов. Проведенные испытания показали их эффективность.

Предложено использовать зернистый слой в межтрубном пространстве греющей камеры двухкорпусной вакуум-выпарной установки и конденсаторе производства сгущенного молока ООО «Кузбассконсервмолоко» р. п. Тяжин-ский. При этом расчетная производительность по выпариваемой воде может повыситься на 80%.

Материалы исследований, представленных в диссертации, используются в учебном процессе, включены в курсы лекций для студентов технологических и энергетических специальностей КузГТУ.

Автор защищает

1. Методы экспериментальных исследований гидродинамики жидкости в зернистом слое в статических и динамических условиях.

2. Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальной и вертикальной трубах, помещенных в зернистый слой с различным краевым углом смачивания.

3. Результаты экспериментальных исследований по гидродинамике течения пленки жидкости на вертикальной трубе и вертикальной пластине, помещенных в зернистый слой, моделирующей условия течения жидкости в пристенной области массообменных колонн пищевых производств и процесс конденсации пара.

4. Результаты экспериментальных исследований по высоте затопления зернистого слоя жидкостью в условиях моделирующих конденсацию пара на горизонтальной трубе.

5. Обобщение экспериментальных данных по теплообмену и гидродинамике при конденсации пара позволивших определить границы применимости зернистого слоя в качестве интенсификатора теплообмена.

Апробация работы. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, докладывались на VI, VII Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г.Новосибирск, 2000, 2002г.; II Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, г.Томск, 2002г.; III Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, г.Барнаул, 2003г.; XXVI, XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре, г.Новосибирск, 2002, 2005г.; 2-ой областной конференции «Молодые ученые Кузбассу», г.Кемерово, 2003г.; 13-ой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность», г.Томск, 2007г.; X международной научно-практической конференции «Химия - XXI век. Новые технологии, новые продукты» г.Кемерово, 2008г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 7 в журналах рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Общий объем диссертации составляет 177 страниц текста, в том числе 56 рисунка и графика, 9 таблиц, список литературы из 84 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе содержится описание известных результатов исследований по интенсификации теплообмена при пленочной конденсации пара на внешней поверхности. Наиболее широко для интенсификации теплообмена применяется оребрение наружной поверхности труб.

Анализируются экспериментальные методы и теоретический анализ результатов работ по изучению механизмов, способствующих уменьшению термического сопротивления жидкой пленки с целью интенсификации процесса конденсации. Одним из таких методов является использование зернистого слоя. Показан широкий интерес к исследованиям процессов переноса при фильтрации в зернистых средах, обусловленный необходимостью создания эффективных теплообменников.

Выполненный анализ работ других авторов по теплообмену при пленочной конденсации на трубах, помещенных в зернистый слой, показал, что в случае горизонтального расположения трубы гидродинамика конденсата подобна гидродинамике на оребренных трубах. За счет капиллярных сил может происходить как улучшение теплообмена, так и ухудшение. Большинство исследований по гидродинамике в зернистых слоях проводились на жидкостях, хорошо смачивающих поверхность. В литературе отсутствуют данные о влиянии краевого угла смачивания на теплообмен при конденсации в зернистых слоях. В доступной автору литературе не было найдено сведений об оптимальных параметрах слоя, при которых происходит увеличение коэффициента теплоотдачи по сравнению с гладкой трубой.

На основании анализа теоретических и экспериментальных работ выполнена постановка задач настоящего исследования.

Вторая глава диссертации посвящена описанию техники экспериментов, проводимых в данной работе, и методам исследования статических, гидродинамических и тепломассообменных процессов. Исследования по конденсации водяного пара при различных ориентациях труб в упаковке зернистого слоя проводили на автоматизированном стенде, схема которого представлена на рис.1. Корпус стенда состоял из двух цилиндрических емкостей, расположенных под углом друг к другу. Одна из емкостей играла роль кипятильника /, а вторая конденсатора 2. Для визуального наблюдения за процессом и контроля уровня жидкости в корпусе конденсатора и кипятильника были установлены окна с кварцевыми стеклами. В полости кипятильника был установлен электрический нагреватель 10 мощностью 6 кВт. Пар, образующийся в результате кипения, поступал в конденсатор, где кон-

денсировался на рабочем участке 3. В качестве рабочего участка использовались две медные трубки наружным диаметром 8 мм и длиной 400 мм. На од-

1 - кипятильник; 2 - конденсатор; 3 - рабочий участок; 4 - контрольная труба; 5 - бак постоянного уровня; 6,17, 18,19 - вентили; 7, - ротаметр; 8 -подогреватель; 9 - расходомер; 10 - тэн;11 - регулятор напряжения; 12 - шарнирная опора; 13 - манометр; 14-датчик давления "Сапфир"; 15,16,18-термопары; 20-сетка; 21 - рабочая труба; 22 -зернистый спой; 23 - штуцера для вывода термопар

ну трубку был надет чехол 20 из сетки, закрытой с торцов заглушками. В полость между чехлом и трубкой засыпался зернистый слой 24, состоящий из стеклянных шариков диаметром 3,2 мм. Рабочим веществом служила дистиллированная вода. Отвод тепла при конденсации от рабочего участка осуществлялся охлаждающей водой, поступающей из бака постоянного уровня 5. Регулировку расхода воды осуществляли с помощью вентиля 6. При помощи шарнирной опоры 12 рабочий участок устанавливался под различными углами к горизонту. Перед проведением опытов методом мгновенного вскипания из рабочего объема стенда удалялись неконденсирующиеся примеси. Эксперименты на гладкой трубе проводились для проверки правильности методики измерений и чистоты рабочего вещества. В ходе эксперимента измерялись следующие параметры: температура охлаждающей воды на входе и выходе из рабочего участка хромель-копелевыми термопарами; температура стенки рабочего участка при помощи десяти хромель-копелевых термопар, зачеканенных в двух сечениях трубки; давление в рабочем объеме датчиком давления "Сапфир"; расход охлаждающей жидкости расходомером РС-5. Данные измерения позволяют рассчитать температуру насыщения Т5, по Р-Т зависимости; среднюю температуру стенки трубы как среднюю арифметическую температуру стенки трубы в десяти точках; плотность теплового потока q, Вт/(м2 К) по изменению энтальпии охлаждающей воды; температурный напор Аг как разницу между температурой стенки и температурой насы-

щения; коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стене трубы а, Вт/м2.

_.2

20

19

18

S7 17

ш12 16

Рис. 2. Схема экспериментального стенда по изучению гидродинамики жидкости от вертикальной трубы и пластины в зернистом слое: 1 - рабочий участок; 2 - мерная колба; 3 - ротаметр; 4,6- регулирующие вентили; 5 - бак-сборник; 7 - насос; 8 - обратный клапан; 9 - бак постоянного уровня

9/81

1 Подача жидкости

Рис. 3. Схема рабочих участков: а - вертикальная труба; б - вертикальная пластина: 1 - штуцер; 2 - регулирующая труба; 5 - сальник; 4 - пористая труба; 5 - зернистый слой; б - кожух из сетки; 7 - сливной желоб; 8 - штуцер; 9 - сетка; 10- сепаратор; 11 - концентрические конуса; 12 - концентрические кольца; 13 - регулирующая пластина; 14 - пористая пластина; 15, 16 - штуцер; 17 - сетка; 18 - сепаратор; 19 - зернистый слой; 20 - коробчатая обечайка

Для изучения гидродинамики сконденсированной фазы по поверхности конденсации пара, помещенной в зернистый материал, были проведены исследования течения жидкости на различных физических моделях с использованием замкнутого циркуляционного контура (рис. 2). Эксперименты проводились при атмосферном давлении в стационарных условиях при комнатной температуре. Рабочая жидкость - дистиллированная вода.

При толщине пленки соизмеримой с диаметром частиц (5/d = 0,29 + 0,55) использовались рабочие участки, изображенные на рис. 3. Жидкость подавалась под давлением через пористую поверхность, что позволило смоделировать процесс конденсации пара. Основой рабочего участка модели конденсации на наружной поверхности вертикальной трубы (рис. 3, я), помещенной в зернистый слой, являлась центральная пористая труба 4 диаметром 36 мм, конический сепаратор 10, состоящий из восьми отделений, и кожух 6 диаметром 116 мм из стальной сетки. Второй рабочий участок (рис. 3, б) состоял из центральной пористой перегородки 14, закрепленной в коробчатой обечайке 20 и сепаратора 18, состоящего из двенадцати отделений. Изменение высоты зернистого слоя Я, орошаемой жидкостью, осуществлялось регулирующей трубой 2 в первом случае и регулирующей пластиной 13 во втором. В каждом отделении сепаратора имелось по два штуцера для отвода жидкости. Перед началом экспериментов зернистый слой смачивался жидкостью. В ходе экспериментов определялось распределение жидкости по

толщине слоя, для чего объемным методом измерялся расход жидкости в каждом отделении сепаратора, а также ее общий расход. Погрешность измерения составляла не более 3 %. Для вертикальной трубы общий расход изменялся в пределах Q - 2,25+ 30,1 мл/с, а высота зернистого слоя - Н = 0,05 + 0,48 м. Для вертикальной пластины: 0 = 2,25 + 16,9 мл/с, Я = 0,05 0,5 м. Зернистый слой - стеклянные шарики с1 - 0,8; 1,1 и 3,2 мм с краевым углом смачивания 0 = 17-19°.

Исследования гидродинамики при относительно тонких пленках С6/с? = 0,004-ъО,018) проводились на вертикальной пластине с закрепленной на ней сферой. Данная модель имитировала течение сконденсированной фазы по гладкой поверхности, находящейся в контакте с отдельными сферическими частицами. В качестве рабочего участка была использована вертикальная плоская пластина размером (А *В) 1000x128 мм, к которой крепилась сфера. Жидкость (вода) подавалась на пластину в виде тонкой пленки при помощи специального распределительного устройства. Расстояние от места подачи жидкости до места крепления сферы составляло 300 мм. Режим течения пленки по поверхности пластины менялся от ламинарно-волнового с

волнистой поверхностью раздела фаз (30 < Яе <400) до турбулентного течения (1?е > 400). Критерий Рей-нольдса определялся по массовой плотности орошения. В ходе эксперимента пробоотборником определялось количество отводимои жидкости сферой за время т. Использовались сферы из различных материалов с краевым углом смачивания 0 и шероховатостью Л а (таблица 1).

В реальных условиях частицы слоя всегда находятся в контакте с другими частицами. Обтекание сферы, находящейся в контакте с другими сферами было рассмотрено на другой модели. Модель представляла собой упаковку шаров, собранную из сфер диаметром (1 = 37,5 мм. Использовались различные типы решеток (рис.4). На рисунке сфера, на которую подавалась жидкость, окрашена черным цветом. В экспериментах с двумерной решеткой (рис. 4, а-г) количество слоев в вертикальном ряду Д;Л менялось от 1 до 7, а число рядов оставалось равным трем. Диаметр сопла - 2,5 мм. Обтекаемая сфера имела различное число контактов к с соседними сферами. В качестве рабочих жидкостей использовались дистиллированная вода, раствор сахарозы, этанол. В ходе экспериментов объемным методом определялась доля жидкости отводимой сферами в радиальном направлении. Для этого измерялся объемный расход жидкости,

Параметры сфер

Таблица

Диаметр, мм Материал 0, град мкм

30,0 сталь 87 0,05

37,5 пластик 56 0,9

40,0 пластик 56 0,4

Рис. 4. Кубическая укладка: а-г - двумерная решетка,- д-ж - трехмерная решетка, а) ЛГМ=1, к=2; б) 2, к= 1; в) Л^=3, *=2; г) Ли=4, ¿=1; д) Ам=3, к=4; е) #»=4, к* 3; ж) //„=3, А=3

Подача жидкости

стекающей с ряда, который орошался (£1\) и объемный расход отводимой жидкости (£?2). Краевой угол смачивания поверхности составлял 0 = 56°± 3°.

Также были проведены гидродинамические исследования для случая горизонтального расположения трубы в зернистом слое. Эквивалентный диаметр порового канала зернистого слоя определялся по высоте капиллярного подъема жидкости в слое. Измерения проводились с предварительно смоченным зернистым слоем. В емкость заливалась жидкость, внутрь емкости устанавливалась стеклянная трубка, в которую засыпался зернистый материал одного диаметра. В качестве зернистого материала использовались калиброванные стеклянные шарики следующего ряда: с1 - 0,8; 1,1; 2; 2,5; 3,2; 4; 4,5 мм с различным краевым углом смачивания. Рабочие жидкости - дистиллированная вода, этанол. Для исключения влияния стенок использовался цилиндр с йи > 10с/. После того как система приходила в равновесие (высота подъема не менялась), проводилась серия замеров высоты капиллярного поднятия жидкости Ь. Высота подъема жидкости определялась катетометром. В дальнейших расчетах использовалось среднее значение Аср, которое определялось как среднеарифметическое. По измеренной высоте капиллярного поднятия Аср определялся эквивалентный диаметр порового канала по уравнению

4=4осо80/(р^). (1)

Определение высоты удерживаемого между частицами столба жидкости на горизонтальной трубе диаметром О - 16 мм, упакованной в монослой зернистого материала при струйном натека-нии (точечное орошение) на верхнюю область трубы, проводилось на рабочем участке, показанном на рис. 5. Опыты проведены в изотермических условиях при комнатной температуре рабочей жидкости. Использовалась ромбоэдрическая упаковка шаров диаметром 2,5 и 4,5 мм.

Для визуальной оценки движения жидкости в поддонной части горизонтальной трубы были проведены эксперименты в плоском канале между двумя параллельными друг другу пластинами из оргстекла 1, 2 размером 100x100 мм (рис. 6). Канал был заполнен монодисперсным слоем частиц 3. В нижней части рабочего участка находился сепаратор 4, состоящий из десяти

отделений, позволяющий количественно оценить распределение жидкости по слою. Рабочая жидкость (дистиллированная вода, этанол) подавалась в центр верхней кромки щели через сопло. Перед началом эксперимента зернистый слой смачивался рабочей ТтптТ жидкостью.

Рис. 6. Рабочий участок: При проведении экспериментов оп-

1,2- пластины из оргстекла; ределялся расход жидкости в каждом отде-3 - зернистый слой; 4 - сепаратор лении сепаратора объемным методом, а

Рис. 5. Схема к определению высоты капиллярного удерживания жидкости

также наблюдался и фиксировался профиль течения жидкости. В качестве зернистого слоя использовались сферы различного диаметра, изготовленные из разных материалов: стеклянные диаметром d = 3,2 мм, металлические - d = 8; 9,5 мм, и пластмассовые - d = 10 мм. По полученным профилям определялась насыщенность зернистого слоя жидкостью через отношение объемов жидкой фазы к общему объему потока, находящемуся в щели. При проведении экспериментов применялись две укладки частиц: ромбоэдрическая и кубическая.

Для исследования влияния краевого угла смачивания на гидродинамику и теплообмен при конденсации автором был освоен метод, предложенный (R. Cecil, 1967), получения модифицированной стеклянной поверхности такой смачиваемости, на которой поддерживается капельная конденсация во-

2 дяного пара. Результаты, полученные при измерении краевых углов смачивания для исследуемых жидкостей, приведены в таблице 2.

В третьей главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований по теплообмену при конденсации водяного пара и гидродинамике жидкости в зернистом слое.

Результаты экспериментальных исследований процесса конденсации неподвижного водяного пара на вертикальной и горизонтальной трубе, помещенных в зернистый слой (d=3,2 мм) с различным краевым углом смачивания представлены на рис. 7 в координатах Nu' = /(Re). Здесь же представлены полученные данные по конденсации водяного пара на гладкой трубе. Число Нуссельта рассчитывалось по зависимости

Nu'=(5A)(v7gf. (2)

Средний коэффициент теплоотдачи рассчитывался

5 = ?/('-"О- (3)

Число Рейнольдса пленки определялось как

Re = <a5/v. (4)

Полученные данные свидетельствуют о наличии различных закономерностей теплообмена в присутствии зернистого слоя в отличие от гладкой трубы. При конденсации пара на вертикальной трубе в зернистом слое наблюдается интенсификация теплообмена в 2-5 раз по сравнению с гладкой трубой. При конденсации водяного пара на горизонтальной трубе в засыпке с различными краевыми углами интенсификации теплообмена не происходит в исследуемом диапазоне тепловых потоков. Ранее в экспериментальных работах Петрика, Богомолова и др. по конденсации фреонов на трубах, помещенных в зернистый слой, предполагалось, что в случае вертикальной трубы бо-

Результаты определения краевых углов смачивания Таблица

Жидкость Исходная поверхность (необработанная), град. Модифицированная поверхность, град.

пластина трубка пластина трубка

Вода 16 21 88 87

Этанол 7 11 19 10

10,0

II 111

I I I I III

—I—I 111111-1—

^"'-Вертикальная труба:

_0 - гладкая; о-в гидрофильном слое; * - в гидрофобном слое;

—Горизонтальная труба:

—• - гладкая; о-в гидрофильном слое; + - в гидрофобном слое;-_д - фреон 2 (Петрик П.Т. Богомолов А,Р.)

1,0

0,1

1000

Рис. 7. Теплообмен при конденсации водяного пара на трубе, помещенной в зернистый слой с различными свойствами поверхностей: 1 - расчет по зависимости Ни" = 0,95Яе"'/3; 2,3,..., 8 - линии, осредняющие экспериментальные данные

лее высокие коэффициенты теплоотдачи достигаются за счет отвода части конденсата от поверхности теплообмена вглубь слоя.

Для вертикальной трубы характерны две закономерности теплообмена Яе"1 и Яе"|/3 (рис.7). Линия б осредняет полученные экспериментальные данные, как для гидрофобного, так и для гидрофиль-

ного слоя зависимостью

Nu* =92,5 Re"'. (5)

Переход от одной закономерности к другой происходит при значении Re и 150. Экспериментальные данные для гидрофильного слоя (линия 7) описываются уравнением

Nu=3,54Re-"\ (6)

для гидрофобного слоя (линия 8) уравнением

Nil* = 2,92 Re""3. (7)

Интенсификация теплообмена происходит за счет уменьшения толщины пленки конденсата на поверхности трубы.

В работе Plumb было сделано предположение, что когда толщина пленки много меньше диаметра частиц, может быть капиллярное подтягивание жидкости, а в случае, когда толщина соизмерима с размером частиц существует возможность отвода жидкости от поверхности вглубь слоя. Закономерность теплооб-

«о- d = 40 мм -О </=40 мм -й- d = 37,5 мм 37,5 мм

100 200 300 400 Рис. 8. Зависимость относительного отвода жидкости от Ле при стекании пленки жидкости по вертикальной поверхности

мена Re" объясняется тем, что в

нашем случае мы имеем дело с «тонкими» пленками конденсата. При этом

эффект прилипания практически не сказывается и закономерность для гидрофильных и для гидрофобных частиц не меняется. Установлено, что переход от закономерности Яе1 к Яе"1'3 происходит при отношении толщины пленки конденсата к диаметру частиц Ь/с1 ~ 0,01. Для объяснения полученных закономерностей были проведены исследования гидродинамики жидкости на вертикальной пластине с закрепленной на ней сферой. Критерий Рейнольдса пленки определялся по формуле

= (8) где - объемный расход жидкости на единицу ширины пленки.

Результаты, представленные на рис. 8, свидетельствуют о том, что в исследуемом диапазоне отводится около 10% жидкости, причем часть жидкости может возвратиться обратно на поверхность пластины. Для сферы с/ = 30 мм во всех диапазонах расхода отвода жидкости не наблюдалось.

При конденсации на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой, уменьшение толщины пленки, по мнению автора, происходит за счет капиллярного подтягивания части жидкости в окрестности Рис. 9. Гидродинамика менисков (рис.9), турбулизации пленки в местах кон-жидкости на вертикаль- тактов частиц с поверхностью трубы и отвода части ной поверхности при конденсата вглубь.

контакте со сферой Таким образом, если использовать вертикальный

¿/=40 мм при Яе = 133 й

* конденсатор с зернистым слоем в межтруоном про-

странстве вместо применяемых в промышленности горизонтальных, можно добиться интенсификации теплообмена, а также уменьшения массогабарит-ных характеристик конденсатора.

Большое влияние при конденсации оказывают неконденсирующиеся газы. Афанасьев, Богомолов, Петрик ранее предлагали использовать зернистый слой как ловушку для неконденсирующихся газов. В данной работе было разработано устройство по удалению неконденсирующихся газов из межтрубного пространства. Проведенные испытания показали его эффективность.

Экспериментальные исследования для случая, когда толщина пленки соизмерима с диаметром частиц слоя, проводились на стенде (рис. 2) с рабочими участками, изображенными на рис. 3. В ходе эксперимента определялись объемным способом количество отводимой жидкости в отделениях сепаратора. По результатам рассчитывалась насыщенность £ зернистого слоя жидкостью, как отношение скорости потока в свободном сечении отделения сепаратора к максимально

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о

5 щ ,1 мм ,8 мм -!

/

/ ф

о 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Рис. 10. Распределение насыщенности зериистого слоя жидкостью по радиусу при высоте слоя №=100 мм; Q - 9,5 мл/с

возможной скорости течения жидкости (зернистый слой полностью затоплен)

= (9)

Полученные данные подтверждают наличие отвода жидкости от поверхности вглубь слоя как предполагали в своих работах другие авторы и свидетельствуют о том, что распределение жидкости по высоте и толщине

зернистого слоя носит сложный волновой характер. При этом наблюдается многократное уменьшение толщины пленки жидкости в окрестности вертикальной трубы (рис. 12). Отмечено, что для трубы в окрестностях стенки насыщенность в измеряемом диапазоне скорости подачи жидкости не достигает предельного значения, максимальная насыщенность находится на некотором расстоянии от стенки (рис. 10, 11). Установлено также, что зависимость насыщенности от скорости подачи жидкости носит линейный характер при прочих равных условиях. При увеличении высоты

зернистого слоя наблюдается равномерное распределение жидкости по толщине слоя. Это может быть использовано в массообменных насадоч-ных колоннах. При отношении 5/У > 0,1 в пристенной области порового канала для колонн диаметром до 500 мм будет поддерживаться равномерное распределение жидкости по толщине зернистого слоя. При этом скорость потока газа не должна превышать предельно допустимых скоростей для ша-

Проведенные эксперименты на рабочих участках (рис.4) свидетельствуют о том, что существенное влияние на величину отводимой жидкости оказывает число контактов с соседними сферами. Были также проведены исследования на этаноле и растворе сахарозы с одним и двумя контактами. По результатам наблюдений и проведенных измерений следует:

- для спирта с увеличением Яе наблюдается не значительное увеличение доли отводимой жидкости;

- увеличение вязкости жидкости ориентировочно в 4 раза не сказалось на относительном отводе по числу контактов.

Рис. 11. Распределение жидкости по толщине зернистого слоя при £? = 25 мл/с

50 100 150 200 250 300 Рис.12. Сравнение толщины пленки на вертикальной трубе без слоя и при наличии зернистого слоя

ровой насадки.

0,1

0,01

■Чг*

Зернистый материал, плотно прилегающий к охлаждаемой поверхности, на которой происходит процесс конденсации пара, был представлен в виде своеобразных ребер, расположенных на конденсационной поверхности,

а поровое пространство - межреберным пространством.

На рис. 13 представлены результаты экспериментального определения эквивалентного диаметра порового канала с учетом краевого угла смачивания. Здесь же представлены результаты других авторов и расчет по аналитической зависимости, которые не учитывали краевой угол смачивания.

В работах Гогонина, Кабо-

■ - вод а;

о - этиловый спирт (96 %); линия - расчет по ур-ю: г, -

Зт /'

а - Ищкин, Каганер.

т

0,1

. Подача воды

1 10 Рис. 13. Зависимость эквивалентного радиуса порового канала зернистого слоя от Ва на оребренных трубах за ха-диамегра частиц рактерный размер, учитывающий

капиллярные силы, было принято безразмерное расстояние между ребрами. Интенсификация теплообмена на оребренных трубах происходит при значениях безразмерного расстояния между ребрами а > 0,85. По аналогии для зернистого слоя в случае горизонтального расположения трубы в качестве характерного размера порового канала принят параметр

сю)

II

где I - капиллярная постоянная.

На рис.14 представлены фотографии капиллярного удерживания жидкости в поровом канале зернистого слоя при струйном натекании (точечном ороше-

„____________нии) на верхнюю область трубы. Плотность

орошения Г = 0,943 кг/(м-с). При сУ/ = 0,65 происходит практически полное затопление поро-вых каналов зернистого слоя жидкостью по диаметру трубы (для частиц диаметром 2,5 мм; высота затопления /гзат = 16,6 мм), а при = 1,21 — частичное затопление (для частиц диаметром 4,5 мм, Иш ~ 7,84 мм). Экспериментальные значения высоты затопления хорошо согласуются со значением высоты затопления, рассчитанным через эквивалентный диаметр порового канала по уравнению (У) в условиях статического равновесия между силами тяжести и поверхностного натяжения.

Рис. 14. Высота затопления слоя жидкостью; Г= 0,943 кг/(м-с): а- </,// = 0.65; б - </,// = 1,21

■■■г

■г/, л

И 11IV

1>»1 ЛЧ1

гаиЛ) и

I',! штг .41 I ли • 1

I ЯШ «г г.ш

а)

Рис. 15. Профиль течения жидкости в щели: а) гидрофильная поверхность, б) гидрофобная поверхность (</ = 3,2 мм)

Расчет высоты затопления при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе в упаковке из гидрофильных стеклянных шариков диаметром <1 = 3,2 мм при температуре = 120 °С показал, что при ^ = 1,42 мм, /-2,38 мм,

¿ = 0,6 и Ишт = 15,8 мм, т.е. практически вся поверхность по периметру трубы должна быть заполнена конденсатом.

По профилям и характеру течения в плоском канале (рис.6) в зависимости от расхода жидкости при точечном источнике в верхней части определены четыре режима: пленочный, эжекционный, струйный и квазифильтрационный. В случае с гидрофильными шариками с/ = 3,2 мм наблюдался режим струйного течения жидкости (жидкость течет в виде отдельных струй) (рис.15, а), на гидрофобных шариках - квазифильтрационный режим, когда жидкость заполняет практи-Рис. 16. Теплообмен при конденсации водяного чески все свободное прос1ран-

пара на горизонтальной трубе, помещенной в

г „ . ш- г* , ство и течет сплошным потоком

зернистый слой: 1 - гладкая труба, / - труба в , ,, _ _ _

гидрофильном слое, 3 - труба в гидрофобном (РисЛ5' ^ Это позволило объ-слое; 4 - фреон Ш2 (Петрик, Богомолов) яснить различия при конденса-

ции па гидрофильных и гидрофобных частицах. В слое из гидрофильных частиц конденсат течет струями. При этом остается доступ пара к поверхности конденсации. Для гидрофобных частиц конденсат движется сплошным потоком, тем самым увеличивается сопротивление движению пара, который захватывая часть конденсата, транспортирует ее к поверхности конденсации, увеличивая толщину пленки.

Пересчитанные данные других авторов по конденсации фреона на горизонтальной трубе в зернистом слое свидетельствуют об интенсификации теплообмена (рис. 16). При этом <1^1= 1,98, что совпадает с условием Гогони-на, Кабова для оребренных труб,

В четвертой главе приводится расчет эффективности использования тепла в вакуум-выпарной установке по производству сгущенного молока на ОАО «Кузбассконсервмолоко». Предложено использовать зернистый слой в межтрубном пространстве греющей камеры двухкорпусной вакуум-выпарной установки, а также разработанный конденсатор с зернистым слоем. При этом расчетная производительность выпарной установки по выпаренной воде может увеличиться на 80%.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Установлено, что при конденсации пара на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой, наблюдается интенсификация теплообмена в 2-5

раз, а в случае горизонтального расположения трубы возможно как улучшение, так и ухудшение теплообмена по сравнению с гладкой трубой.

2. Получен комплексный параметр, значение которого определяет границы применимости зернистого слоя для интенсификации теплообмена при конденсации пара на горизонтальной трубе в засыпке.

3. Экспериментальные исследования по гидродинамике жидкости и теплообмену при конденсации пара показали, что гидрофобность поверхности зернистого слоя снижает интенсивность теплообмена, как на горизонтальной, так и на вертикальной трубе.

4. Экспериментально установлено, что в насадочных массообменных колоннах, равномерное распределение орошающей жидкости поддерживается по всей высоте насадки при условии значения относительной толщины пленки текущей по внутренней поверхности колонны в пристенной области порово-го канала Ш> 0,1.

5. Полученные в работе результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке высокоэффективного экономичного оборудования для пищевой и других отраслей промышленности. Реализация такого применения представлена в работе техническими решениями автора в выпарной установке по производству сгущенного молока ОАО «Кузбасскон-сервмолоко» р.п. Тяжинский и устройством по удалению неконденсирующихся газов из конденсаторов пара.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ Журналы из перечня ВАК

1. Богомолов, А. Р. О модифицировании стеклянных поверхностей / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С. С. Азиханов, Е.Ю. Темникова // Теплофизика и аэромеханика. - 2002. - т. 9, - № 3. - С. 477-480.

2. Bogomolov, A.R. Hydrodynamics of a two-phase flow in a duct with spherical particles / A.R. Bogomolov, P.T. Petrik, S.S. Azikhanov, O.A. Tubolt-seva // Journal of Engineering Thermophysics. - Novosibirsk, 2003. - V. 12, -No. 2.-P. 191-197.

3. Петрик, П. Т. Режимы течения сконденсированной фазы от поверхности теплообмена, помещенной в зернистый слой / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов, O.A. Тубольцева // Ползуновский вестник. - Барнаул, 2004.-№ 1.-С. 66-68.

4. Богомолов, А. Р. Гидродинамика в конденсаторах с зернистым слоем / А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов, К.В. Гуцал, Е.Ю. Темникова // Известия Томского политехнического университета. - Томск, 2002. - т. 305, вып. 2. -С. 66-71.

5. Петрик, П. Т. Гидродинамика при фильтрации жидкости в зернистый слой от вертикальной трубы / П.Т. Петрик, П.В. Дадонов, С.С. Азиханов, К.В. Гуцал // Вестник КузГТУ. - 1998. - № 1. - С. 29-31.

6. Петрик П. Т. Гидродинамика при конденсации на поверхности, покрытой сферическими частицами / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов , С.С. Ази-

ханов, К.В. Гуцал, Е.Ю. Темникова // Вестник КузГТУ. - 2002. - №6. - С. 7174.

7. Богомолов, А. Р. Гидродинамика при двухфазном течении в канале со сферическими частицами / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.С. Азихаиов, O.A. Тубольцева // Вестник КузГТУ. - 2002. - №6. - С. 74-76.

Остальные публикации

8. Азиханов, С. С. О пленочном обтекании сферической поверхности, имеющей контакты с другими сферическими поверхностями / С.С. Азиханов, O.A. Тубольцева // «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»: тез. докл. VII Всероссийской конференции молодых ученых.

-Новосибирск: ИТ СО РАН, 2002. -С. 101-102.

9. Азиханов, С. С. Гидродинамика жидкости при фильтрации в зернистом слое от вертикальной трубы / С.С. Азиханов, К.В. Гуцал // «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»: тез. докл. VI Всероссийской конференции молодых ученых. - Новосибирск: ИТ СО РАН, 2000.-С. 56-57.

10. Богомолов, А. Р. Гидродинамика при двухфазном течении в щелевом канале с зернистым слоем / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.С. Азиханов, O.A. Тубольцева // XXVI Сибирский теплофизический семинар: тез. докл. -Новосибирск: ИТ СО РАН, 2002. - С. 45-46.

11. Азиханов, С. С. Гидродинамика пленки жидкости в моделях конденсации пара на поверхностях в зернистом слое / С.С. Азиханов, O.A. Тубольцева // «Молодые ученые Кузбассу»: сб. тр. 2-й обл. научн. конф. 2003г., Кемерово. - 2003. - С. 190-192.

12. Петрик, П. Т. Режимы течения сконденсированной фазы от поверхности теплообмена, помещенной в зернистый слой / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов, O.A. Тубольцева // сб. тез. III Семинара вузов Сибири и дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, 18-20 сентября 2003г., Барнаул. - Новосибирск: ИТ СО РАН, 2003. - С. 37.

13. Богомолов, А. Р. Пленочное и струйное течение жидкости в шаровых засыпках / А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов // XXVIII Сибирский тепло-физический семинар: тез. докл. - Новосибирск: ИТ СО РАН, 2005. - С. 35-36.

14. Азиханов, С. С. Гидродинамика конденсата на горизонтальной трубе в засыпке / С.С. Азиханов, П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Матер. 13-й Всероссийской науч.-техн. конф., 5-7 декабря, 2007г., Томск. - 2007. - С. 89-92.

15. Азиханов, С. С. Капиллярное удерживание конденсата на горизонтальной трубе в засыпке / С.С. Азиханов, П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов // Химия XXI век: новые технологии, новые продукты: Матер. X науч.-практич. конф. 22-25 апреля, 2008г., Кемерово. -2008. - С. 120-122.

Автор выражает благодарность старшему научному сотруднику Института теплофизики СО РАН к.т.н. Богомолову А.Р. за внимание к данной работе и участие в обсуждении методики экспериментов и полученных результатов.

Подписано в печать . .2009. Формат 60x90/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано на ризографе. ГУ Кузбасский Государственный технический университет 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ГУ КузГТУ. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТЯХ В УСЛОВИЯХ ГРАВИТАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНЫХ СИЛ.

1.1 Способы интенсификации теплообмена.

1.1.1 Ребра, проволочное оребрение, шипы.

1.1.2 Зернистые слои.

1.1.3 Гидрофобизация.

1.2 Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИИ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1 Конденсация на трубе в зернистом слое.

2.2 Капиллярная пропитка.

2.3 Гидродинамика.

2.4 Модифицирование поверхности.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Конденсация водяного пара на горизонтальной трубе.

3.1.1 Эквивалентный диаметр порового канала.

3.2 Конденсация на вертикальной трубе в зернистом слое.

3.3 Исследования гидродинамики при «тонких» пленках жидкости.

3.4 Исследования гидродинамики при толщине пленки жидкости соизмеримой с диаметром частиц.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ L, 9 ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Анализ эффективности использования тепла в двухкорпусной вакуум-выпарной установке по производству сгущенного молока.

4.2 Технические рекомендации для повышения тепловой эффективности вакуум-выпарной установки.

ВЫВОДЫ.

Многие процессы пищевых производств обладают повышенной тепловой энергоемкостью. Часто в технологии приготовления пищевых продуктов применяются выпаривание, перегонка, ректификация, сушка и другие, весьма энергоемкие процессы. Проведение этих процессов требует сложного и дорогостоящего оборудования, что часто приводит к тому, что доли затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования и затрат на тепловую энергию при получении пищевых продуктов являются определяющими при оценке их себестоимости.

Таким образом, повышение интенсивности проведения теплообменных процессов в технологическом оборудовании является важной актуальной задачей, решение которой во многом влияет на эффективность использования теплообменного и массообменного оборудования, его производительность, и в конечном итоге на качество и себестоимость продукции.

Одним из самых распространенных процессов подвода и отвода тепла в пищевых технологиях является процесс поверхностной конденсации греющего пара или пара отводимого из аппарата. Широкое применение этого процесса обусловлено рядом его преимуществ перед другими способами подвода и отвода тепла, и в первую очередь тем, что в этом процессе используется теплота фазового перехода и достигаются при этом значения коэффициентов теплоотдачи много выше чем, например, при конвективном теплообмене. В связи с этим, интенсификация теплообмена при конденсации пара является актуальной задачей эффективного использования тепло-и массообменного оборудования пищевых производств.

В литературе уделяется большое внимание вопросам интенсификации теплообмена при конденсации. В большинстве случаев при решении этой задачи применяется оребрение поверхности конденсации ребрами различной конфигурации, при этом достигается эффект увеличения коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза. Однако такой способ интенсификации теплообмена значительно усложняет конструкцию аппарата и что не менее важно применим, как правило, только для трубных пучков расположенных горизонтально. В связи с тем, что в таких конденсаторах в трубном пространстве отвод тепла осуществляется за счет конвективного теплообмена. Увеличение коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза со стороны пара приводит к росту общего коэффициента теплопередачи только на 10-15 %. Часто в пищевой промышленности встречаются процессы, в которых за счет тепла конденсации производится кипячение продукта, это, в первую очередь, относится к таким теплообменникам как кипятильники в процессах перегонки и ректификации, в греющих камерах выпарных аппаратов и др. В' таких условиях, при той же интенсификации, производительность теплообменника может возрасти в 1,5-2 раза. Однако в этих аппаратах трубный пучок из технологических соображений может устанавливаться только вертикально, а оребрение труб может привести даже к отрицательному результату.

В экспериментальных работах Петрика П.Т., Богомолова А.Р., Афанасьева Ю.О. и др.[1, 28 и др.] показано, что в присутствии на поверхности конденсации зернистого слоя может привести к увеличению коэффициента теплоотдачи в 3-4 раза, причем интенсификация теплообмена наблюдалась на трубах любой ориентации в пространстве. Опыты проводились при конденсации хладонов различных марок с применением зернистых слоев из стеклянных шариков. Полученные указанными авторами данные не позволяют определить границы применимости такого способа интенсификации. Для выявления параметров и объяснения процессов, влияющих на теплообмен в присутствии зернистого слоя необходимо проведение детальных гидродинамических исследований и в первую очередь выявления механизма взаимодействия между пленкой конденсата и частицами слоя и влияния на это взаимодействие поверхностных сил.

Настоящая работа посвящена изучению гидродинамики течения жидкости на поверхности, помещенной в зернистый слой, и теплообмена при конденсации неподвижного водяного пара на горизонтальной и вертикальной трубах, помещенных в зернистый материал с различным краевым углом смачивания.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса. На основании теоретических и экспериментальных работ сделана постановка задач настоящего исследования.

Во второй главе приводится описание экспериментальных стендов, техники экспериментов, методики измерений.

Третья глава посвящена обсуждению полученных результатов.

В четвертой главе проведен анализ эффективности использования тепла на ОАО «Кузбассконсервмолоко» р.п. Тяжинский Кемеровской области на примере двухкорпусной вакуум-выпарной установки. Предлагается использовать результаты настоящих исследований для повышения производительности по выпаренной воде.

В данной работе представлены и выносятся на защиту:

1. Методы экспериментальных исследований гидродинамики жидкости в зернистом слое в статических и динамических условиях.

2. Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальной и вертикальной трубах, помещенных в зернистый слой с различным краевым углом смачивания.

3. Результаты экспериментальных исследований по гидродинамике течения пленки жидкости на вертикальной трубе и вертикальной пластине, помещенных в зернистый слой; моделирующей условия течения жидкости в пристенной области массообменных колонн пищевых производств и процесс конденсации пара.

4. Результаты экспериментальных исследований по высоте затопления зернистого слоя жидкостью в условиях моделирующих конденсацию пара на горизонтальной трубе.

5. Обобщение экспериментальных данных по теплообмену и гидродинамике при конденсации пара позволивших определить границы применимости зернистого слоя в качестве интенсификатора теплообмена.

Работа выполнялась в ГУ Кузбасском Государственном техническом университете на кафедре «Процессы машины и аппараты химических производств».

Автор выражает благодарность с.н.с. института теплофизики СО РАН к.т.н. А. Р. Богомолову за внимание к данной работе и за участие в обсуждении методики экспериментов и полученных результатов.

Выводы по анализу

1. Тепловая мощность греющих камер и конденсатора достаточна для обеспечения выпаривания воды в количестве не менее 8 т/ч при расходе греющего пара около 3,5 т/ч давлением 10-12 ати.

2. Общая производительность по выпариваемой воде вакуум-выпарной установки в случае использования зернистого слоя в межтрубном пространстве греющих камер и поверхностного конденсатора может повыситься на 80 %.

3. В качестве засыпки необходимо использовать зерно размером 4-6 мм в поперечнике, если зерно имеет не сферическую форму.

4. Для детальной и тщательной оценки тепловой эффективности выпарной установки необходимо измерение расхода магистрального пара, общего количества откачиваемого конденсата, направляемого в градирню и расхода охлаждающей воды.

1. Установлено, что при конденсации пара на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой, наблюдается интенсификация теплообмена в 2-5 раз, а в случае горизонтального расположения трубы возможно как улучшение, так и ухудшение теплообмена по сравнению с гладкой трубой.

2. Получен комплексный параметр, значение которого определяет границы применимости зернистого слоя для интенсификации теплообмена при конденсации пара на горизонтальной трубе в засыпке.

3. Экспериментальные исследования по гидродинамике жидкости и теплообмену при конденсации пара показали, что гидрофобность поверхности зернистого слоя снижает интенсивность теплообмена, как на горизонтальной, так и на вертикальной трубе.

4. Экспериментально установлено, что в насадочных массообменных колоннах, равномерное распределение орошающей жидкости поддерживается по всей высоте насадки при условии значения относительной толщины пленки текущей по внутренней поверхности колонны в пристенной области порового канала 5Id >0,1.

5. Полученные в работе результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке высокоэффективного экономичного оборудования для пищевой и других отраслей промышленности. Реализация такого применения представлена в работе техническими решениями автора в выпарной установке по производству сгущенного молока ОАО «Кузбассконсервмолоко» р.п. Тяжинский и устройством по удалению неконденсирующихся газов из конденсаторов пара.

1. Аэров, М. Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем / М.Э. Аэров, О.М. Тодес, Д.А. Наринский. Л.: Химия, 1979. - 176 с.

2. Аэров, М. Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М.Э Аэров, О.М. Тодес. — Л.: «Химия», 1968. 512 с.

3. Бажан, П. И. Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каневец, В. М. Селиверстов. — М. : Машиностроение, 1989. — 00 с. : ил.

4. Бреслер. Смачивание поверхности с помощью капиллярных канавок / 1 Бреслер, Вайт//Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. С. Теплопередача. 1970.- № 2. С. 132-139.

5. Ганжа, В. Л. Фильтрация двухфазных однокомпонентных потоков в дисперсных средах / В.Л. Ганжа, Г.И. Журавский. — Минск: Наука и техника, 1988.-112 с.

6. Гогонин, И. И. Пленочная конденсация неподвижного пара на оребренной поверхности / И.И. Гогонин, О.А. Кабов, Падюков. — ИФЖ, 1985. — Т. 49, №5.-С. 709-717

7. Гогонин, И. И. Конденсация пара на пакетах горизонтальных труб с ребрами постоянной кривизны / И.И. Гогонин, О.А. Кабов // Препринт 26593. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1993. - 39 с.

8. Гольдштик, М. А. Процессы переноса в зернистом слое / М.А. Гольд-штик. Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2005. — 358 с.

9. Дворовенко, И. В. Теплообмен при пленочном кипении и конденсации в зернистом слое: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.14.05: защищена 24.12.1997.-Томск, 1997.- 18 с.

10. Карху, В. А. Пленочная конденсация пара на горизонтальных мелкоребристых трубах / В.А. Карху, В.П. Боровков // ИФЖ. 1970. - Т. 19, № 4.-С. 617-624.

11. Коваленко, Jl. М. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи / Л. М. Коваленко, А. Ф. Глушков. -М. : Энергоатомиздат, 1986. -240 с. : ил. (Экономия топлива и электроэнергии).

12. Коллинз, Р. Течения жидкостей через пористые материалы / Р. Коллинз. М.: Мир, 1964.-351 с.

13. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

14. Лабунцов, Д. А. О влиянии конвективного переноса тепла и сил инерции на теплообмен при ламинарном течении конденсатной пленки / Д.А. Лабунцов // Теплоэнергетика. 1956. - № 12. - С. 47-50.

15. Лабунцов, Д. А. Обобщение теории конденсации Нуссельта на условия пространственно-неравномерного поля температур теплообменной поверхности / Д.А. Лабунцов // Теплообмен и гидравлическое сопротивление: Тр. МЭИ. М.:, 1965. - Вып. 63 - С. 79-84.

16. Лелеков, В. И. Особенности теплообмена и газодинамики в тепловыделяющих сборках со сферическими твэлами и радиальной раздачей теплоносителя / В.И. Лелеков // Тепоэнергетика. — 2005. — № 3. С. 25-33.

17. Мигай, В. К. Повышение эффективности современных теплообменников / В.К. Мигай. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 144 с.

18. Мори. Оптимизация характеристик конденсаторов с внешними конденсационными поверхностями / Мори, Хидзиката, Хирасава, Накаяма / Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. С. Теплопередача. 1981. — Т. 103, № 1. - С. 116-124.

19. Мухин, В. А. Исследование процессов теплообмена при фильтрации в пористых средах / В.А. Мухин, Н.Н. Смирнова // Препринт 26-78. — Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1978. 28 с.

20. Мухин, В. А. Конденсация пара на наклонной пластине, помещенной в пористую среду / В.А. Мухин, В.Е. Накоряков, П.Т. Петрик, Г.С. Серда-ков // ЖПМТФ. 1985. - № 5. - С. 85-90.

21. Накоряков В. Е. Гидродинамика и теплообмен в пористых средах / В.Е. Накоряков // Актуальные вопросы теплофизики. Энергетика и экология: сб. научн. тр. Новосибирск: ИТ СО АН СССР, 1991. - С. 3-29.

22. Накоряков, В. Е. Локальная теплоотдача цилиндра, погруженного в ин-фильтруемый зернистый слой / В.Е. Накоряков, В.В. Балуев, В.А. Мухин // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1990. - Вып. 1. - С. 3-8.

23. Накоряков, В. Е. Теплообмен при конденсации неподвижного пара в узких щелях / В.Е. Накоряков, В.А. Мухин, П.Т. Петрик // Тепломассопе-ренос при испарении: сб. научн. тр. Новосибирск: ИТ СО АН СССР, 1982.-С. 61-69.

24. Радовский, Б. С. Плотность беспорядочной упаковки твердых частиц сферической формы / Б.С. Радовский // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1972.-№ 4. - С. 195-201.

25. Рамм, В. М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. — М.: «Химия», 1976. 656 с.

26. Риферт, В. Г. Интенсивность конденсации водяного пара на горизонтальных профилированных проволокой трубах / В. Г. Риферт, П. А. Ба-рабаш, А. Б. Голубев // Изв. Вузов. Энергетика, 1980. - №7. - С. 106110.

27. Риферт, В. Г. Интенсификация теплообмена в конденсаторах с горизонтальными трубами, оребренными проволокой / В. Г. Риферт, П. А. Бара-баш, А. Б. Голубев, А. Н. Тобилевич, Я. Е. Трокоз // Холодильная техника, 1981. - №4. - С. 23-25.

28. Риферт, В. Г. Интенсификация теплообмена в конденсаторах с горизонтальными трубами, оребренными проволокой / В. Г. Риферт, П. А. Бара-баш, А. Б. Голубев, А. Н. Тобилевич, Я. Е. Трокоз // Холодильная техника, 1981. - №4.-С. 23-25.

29. Риферт, В. Г. Определение параметров затопления конденсатом поверхности горизонтальных профилированных труб / В. Г. Риферт, П. А. Ба-рабаш, А. Б. Голубев // Изв. Вузов. Энергетика, 1978. - №10. - С. 9296.

30. Риферт, В. Г. Теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара на профилированной поверхности / В.Г. Риферт, Я.Е. Трокоз // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1987. - № 6. - С. 92-101.

31. Руди. Аналитическая модель для расчета капиллярного удерживания конденсата в межреберных канавках горизонтальных труб с непрерывными поперечными ребрами / Руди, Уэбб // Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. С. Теплопередача. 1985. - Т. 107, № 2. - С. 94-103.

32. Сумм, Б. Д. Физико-химические основы смачивания и растекания / Б.Д. Сумм, Ю.В. Горюнов. — М.: Химия, 1976. 232 с.

33. Теплицкий, Ю. С. Об особенностях фильтрации в зернистом слое вблизи стенки / Ю.С. Теплицкий, В.И. Ковенский, М.В. Виноградова / ИФЖ. -2007.-Т. 80, №5.-С. 141-147.

34. Уэбб. Обобщенный метод расчета и оптимизации рифленых поверхностей конденсации Грегорига / Уэбб // Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. С. Теплопередача.- 1979.-Т. 101, №2.-С. 171-177.

35. Уэбб. Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации на горизонтальных трубах с непрерывными поперечными ребрами / Уэбб, Руди, Кедзерски // Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. С. Теплопередача. 1985. -Т. 107, №2. -С. 103-112.

36. Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии: Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю.Г. Фролов. -М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. 464 с.

37. Хаппель, Дж. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса / Дж. Хап-пель, Г. Бреннер. -М.: Мир, 1976. 631 с.

38. Шейдеггер, А. Э. Физика течения жидкостей через пористые среды / А.Э. Шейдеггер. — М.: Гос. науч.-техн. изд-во нефт. и горно-топл. литры, 1960.-250 с.

39. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. М.: Наука, 1969.-744 с.

40. Яу. Влияние шага оребрения на характеристики теплообмена горизонтальных конденсационных труб с непрерывными поперечными ребрами /Яу, Купер, Роуз // Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. С. Теплопередача. -1985.-Т. 107, №2.-С. 113-120.

41. Briggs, A. Film Condensation of steam on a Horizontal Wire-Wrapped Tube / A. Briggs, H.S. Wang, J.W. Rose // 12th International Heat Transfer Conference (IHTC) 2002, Grenoble, France, Aug., 18-23, 2002. CD-ROM, ISBN 2-84299-307-1.

42. Cheng, P. Film condensation along an inclined surface in a porous medium / P. Cheng // Int. J. Heat Mass Transfer. 1981. - V. 24, No. 6. - P. 983-990.

43. Fand, R. M. Natural convection heat transfer from a horizontal cylinder embedded in a porous medium / R.M. Fand, Т.Е. Steinberger, P. Cheng // Int. J. Heat Mass Transfer.- 1986.-V. 29, No 1.-P. 119-133.

44. Fand, R. M. Resistance to the flow of fluids through simple and complex porous media whose matrices are composed of randomly packed spheres / R.M. Fand, B.Y.K. Kim, A.C.C. Lam, R.T. Phan // Transactions of the ASME. -1987.-V. 109.-P. 268-274.

45. Gogonin, 1.1. An Experimental Study of R-l 1 and R-12 Film Condensation on Horizontal Integral-Fin Tubes / I.I. Gogonin, O.A. Kabov // J. of Enhanced Heat Transfer. 1996. - V. 3, No 1. - P. 43-53.

46. Hirasawa, S. Effect of surface tension on condensate motion in laminar film condensation (study of liquid film in a small trough) / S. Hirasawa, K. Hiji-kata, Y. Mori and W. Nakayama // Int. J. Heat Mass Transfer. 1980. - V. 23.-P. 1471-1479.

47. Jaber, M. H. Steam Condensation on Horizontal Integral-Fin Tibes of Low Thermal Conductivity / M.Hassib Jaber, Ralph L. Webb // J. of Enhanced Heat Transfer. 1996.- V. 3, No l.-P. 55-71.

48. Katz, D. L. Condensation on Six Finned Tubes in a Vertical Row / D.L. Katz, J.M. Geist // Trans. ASME. 1948. - V. 70, No 8. - P. 907-914.

49. Murase, T. Effect of inundation for condensation of steam on smooth and enhanced condenser tubes / T. Murase, H.S. Wang, J.W. Rose // Int. J. Heat Mass Transfer. 2006. - V. 49. - P. 3180-3189.

50. Plumb, O. A. Film condensation on a vertical flat plate in a packed bed / O.A. Plumb, D.B. Burnett, A. Shekarriz // J. Heat Transfer. 1991. - V. 112. - P. 235-239.

51. Thomas, D. G. Enhancement of Film Condensation Rate on Vertical Tubes By Longitudinal Fins / D.G. Thomas // AIChE Journal. 1968. - V. 14, No 4. - P. 644-649.

52. Горин, А. В. Теплообмен при конденсации неподвижного пара на пластине, погруженной в зернистый слой / А.В. Горин, В.Е. Накоряков, О.Н. Цой // ИФЖ. 1988. - Т. 54, №2.-С. 181-188.

53. Горин, А.В. Теплообмен при смешанной конвекции на вертикальной поверхности, помещенной в пористую среду, при отклонении от закона Дарси / А.В. Горин, В.Е. Накоряков, А.Г. Хоруженко, О.Н. Цой // ЖПМТФ.- 1988.-№ 1.-С. 143-149.

54. Gorin, А. V. Film condensation on a surfaces embedded in porous media /

55. A.V. Gorin, O.N. Tsoy // Evaporative cooling systems of electronic equipment: Proc. International Seminar, Novosibirsk, USSR, Aug., 19-22, 1991. -Novosibirsk, 1993.-P. 288-301.

56. Renlcen, K. J. Experiments on film condensation promotion within thin inclined porous coatings / K.J. Renken, M. Aboye // Int. J. Heat Mass Transfer. 1993. - V. 36, No 5. - P. 1347-1355

57. Гогонин, И. И. Влияние капиллярного удерживания жидкости на теплообмен при конденсации на оребренных трубах / И.И. Гогонин, О.А. Кабов // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1983. - № 8, вып. 2. - С. 3-9.

58. Гогонин, И. И. Пленочная конденсация пара на пакете оребренных труб

59. И.И. Гогонин, О.А. Кабов // Теплофизика и гидродинамика в процессах кипения и конденсации: сб. научн. тр. Новосибирск: ИТ СО АН СССР, 1985.-С. 81-98.

60. Богомолов, А. Р. Теплообмен при конденсации на поверхности вертикального цилиндра, погруженного в зернистый слой / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, О.Н. Цой // Химия и химическая технология: сб. науч. тр.- Кемерово, 1995. С. 60-66.

61. Ишкин, И. П. Гидравлическое сопротивление пористых сред / И.П. Ишкин, М.Г. Каганер // Кислород: науч. и произв.-технич. бюллетень Главкислорода МХП СССР, 1952. -№3. - С.8-21.

62. Риферт, В. Г. Исследование конденсации пара на горизонтальных профилированных проволочной спиралью трубах / В.Г. Риферт, А.Б. Голубев // ИФЖ. 1984. - Т. 46, №. 3. - С. 433-438.

63. Белоусов, А. П. Гидродинамическая структура двухфазного течения вокрестности точек контакта элементов шаровых засыпок / А.П. Белоусов, А.Р. Богомолов, Д.М. Маркович // Теплофизика и аэромеханика.- 2004. Т. 11, № 3. - С. 429-440.

64. Зозуля, Н. В. Анализ процесса пленочной конденсации пара на вертикальной мелкоребристой поверхности / Н.В. Зозуля, В.А. Карху / ЖПМТФ. 1969. - № 3. - С. 93-97.

65. Риферт, В. Г. Интенсификация теплообмена при конденсации хладагентов на вертикальной трубе / В.Г. Риферт, Г.Г. Леонтьев, С.И. Чаплинский // Холодильная техника. 1976. - № 5. - С. 29-32.

66. Panchal, С. В. Analysis of Nusselt-Type Condensation on a Vertical Fluted

67. Surface / C.B. Panchal, K.J. Bell // Numerical Heat Transfer. 1980. - V. 3.-P. 357-371.

68. Cecil, R. Model System for Hydrophobic Interactions // Nature. 1967. -Vol. 214. - P.369-370.

69. Исаченко, В. П. Теплообмен при конденсации / В.П. Исаченко. М.: Энергия, 1977.-240 с.

70. Приёмочная комиссия в составе:

71. Председатель Петрик П.Т., д.т.н., профессор кафедры ПМиАХП, КузГТУ;1. Члены комиссии: