автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научные основы создания струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения пищевых продуктов

О Д Краснодарский гллнтеякичеашй институт

На правах рукописи

УДК 664 : 621.56/.59:621.56/57

ШЛЯХОВЕЦКИЙ ВАЛЕНТИН МИХАЙЛОВИЧ

[АУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ СТРУЙНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ КОНТАКТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПИЩЕВЫХ

ПРОДУКТОВ

Специальности : 05.18.12 Процессы, машины и агрегаты

пищевой промышленности 05.04.03 Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Краснодар - 1993

Работа выполнена в Краснодарском политехническом институте. ,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.П.Кошевой доктор технических наук, профессор О.П.Иванов доктор технических наук, профессор А.Г.Ионов

Ведущее предприятие - Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности.

Защита диссертации состоится 01 _ 1994 г.

в 10 ч. в конференцзале, на заседании специализированного совета Д.063.40.01 при Краснодарском политехническом институте, по адресу: 350072,- г.Краснодар, ул.Московская, д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КШ. Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

кандидат технических наук доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Жидкие пищевые продукты, которые со-¡ержат мелко- и крупнодисперсные взвеси или обладают консистен-даей вязкой пасты, охлаждают в кондуктивных теплообменных ангара тах, где наличие теплопередавдей поверхности между частица-!И продукта и хладоносителем не позволяет обеспечивать эффекти-1пый теплообмен из-за непрерывно понижающегося значения коэффи-[иента теплопередачи. Непосредственное контактное охлаждение .идких пищевых продуктов практически не применяется.

Получение порошкообразных продуктов путем криогранулирова-гия обеспечивает формирование кристаллической структуры продула и определяет его качество (мо но дис пе рс нос т ь, однородность остава и др.). Отсутствие необходимого оборудования не позво-яет использовать новые технологии в процессах производства ищевой продукции.

Контактное охлаждение пищевого сырья, полуфабрикатов и го-овых продуктов хладоносителем ("ледяной" водой, снегованием) эффективный технологический процесс холодильного кснсервиро-анкя. Отсутствие хладоносителя в условиях сбора плодов и своей на плантациях и при последувдей технологической обработке а предприятиях приводит к потерям до 30...40 $ объема урожая снижению качества полуфабрикатов и готовой продукции. Значи-ельная продолжительность охлаждения отдельных видов пищевых родуктов (птица, вареные колбасы и др.) не позволяет яятенси-ицировать прохождение технологического процесса и сюаает роки хранения готового продукта. Простые, мобильные и эколо-вчески чистые контактные охладители для производства "ледяной" оды и снега практически отсутствуют.

В диссертации рассмотрены научные основы создания струйных азодинамическкх устройств, в которых охлавдаиций потенциал зсширившегося газа используется для диспергирования и охлаж-зния введенного в поток жидкого продукта (в дальнейшем - теп-зносителя), образующего с потоком газа гетерогенную систем;', груйные газодинамические устройства обеспечивают охлаждение ¿еденного теплоносителя до температуры, равной или тие тем-

пературы окружающей среда, при сохранении первоначального фазового состояния, или перевод теплоносителя в состояние снеси "кидкость-твердая фаза" или твердой фазы.

Охлажденный теплоноситель используют в технологических процессах в качестве сырья, полуфабриката или готового пищевого продукта, либо в качестве промежуточного хладоносителя при контактном охлаждении пищевого сырья, полуфабрикатов или готовых продуктов, что способствует увеличению выпуска пищевой продукции и сохранении ее высокого качества.

Диссертация выполнена на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок Краснодарского политехнического института в соответствии с совместными планами Минвуза СССР и Минхсмнефте-маш. {1976, 1978, 1984 гг.), постановлением ШНТ СССР .'1 242 от 06.06.1978 г.(г/р Ш 1801486, 81042061), рекомендациями Всесоюзных научно-технических конференций по холодильной технике и технологии (Ташкент, 1977, Ленинград, 1986)» координационным кланом НИР по механике (приказ Минвуза СССР № 453 от 15.06.1985 г.).

Цели и задачи исследования. Разработка нового научного направления в области технологического оборудования для пищевой про"»ытленности, которое включает исследование струйных газодинамических устройств, в которых совмещаются процессы производства холода, диспергирования и охлаждения продукта в потоке, и последующего разделения охлажденного продукта и газа. Создание научных основ струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения пищевых продуктов обусловило необходимость решения следующих основных задач: исследование процессов формирование -холодного высокоскоростного потока газа при вводе в него жидкого теплоносителя; обоснование условий получения гетерогенных систем при смешении газа и теплоносителя, и их последующего разделения при сохранении теплоносителем температуры нше температуры окружающей среда; оценка факторов, обуславливающих замораживание гадкого теплоносителя при взаимодействии с движущимся в спутном течении холодным газом и сохранение достигнутого фазового состояния при выводе теплоносителя из потока газа; разработка обобщенных математических моделей устройств, .которые могут послужить основой при создании инженерной методики расчета струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения применительно к технологически;/ процессам в пищевой промышленности.

Научная новизна работа. Разработаны основные теоретические оложения, которыми определяются условия создания струйных га-одинамических устройств для контактного охлаждения пищевых родуктов, в том числе теоретическая модель процессов знерго-бмена потоков газа и жидкости при их струйном спутном течении формировании в гетерогенную систему "газ-теплоноситель" с те-пературой ниже температуры окружающей среда

Оценены возможности формирования твердой фазы теплоносителя достижения полного фазового перехода а теплоносителе, а также охранения достигнутого фазового состояния теплоносителя с тем-ературой ниже температуры окружающей среда при выводе из ох-аждающего устройства.

Установлены условия наступления "предельных" режимов, обус-эзленкых совместным влиянием параметров газа (число !Даха) и зплоносителя (температура и теплоемкость), и массовой концен-рацией последнего в газе, при которых исключается нормальная зботз струйных газодинамических охлаждающих устройств.

Получено экспериментально более 100 рабочих характеристик глаждавдих устройств при работе на системе "воздух-зола", в гапазоне степеней расширения газа = 0.33...0,05, начяль-¡х температур газа Тгн и теплоносителя ТКн от С03-273 К, чн-5Л ''аха для газа после сопла МГ5 = 1.2...2.0, массовой рао-)Дмой концентрации Ц-ГПк/тг = 0.01...1.2, доли твердой фаз:-? f теплоносителя £ I, которые позволили оценить возмсш»сс-I струйных газодинамических устройств для контактного о.:'?,-.:-¡ния пищевых продуктов.

Автор защищает физические модели процессов энергообмена ж вводе жидкого теплоносителя в струйное спутное течение с юокоскоростным низкотемпературным потоком газа, описывавдие лаждение и замораживание частиц при смешении, и сохранение стицами достигнутого фазового состояния и температура шме мпературы окружающей среда при последушэч отделении частиц ' плоносителя от газа; математические модели струйных газоди-мических охлаждающих устройств, которые позволяют прогнози-вать холодильную мощность устройства 'в заданном диегг.-нч изменения те:,яератур теплоносителя, обусловленным коккр&-нм технологическим процессом контактного -охлаждений; резуль-

тэты численных и натурных экспериментов, додтверэдавдие достоверность разработанных математических моделей струйных газодинамических охлаждающих устройств; инженерные метода расчета этих устройств и оценку их использования для контактного охлаждения в пищевых отраслях промышленности.

Практическая значимость работы. Разработаны научные основы теории и инженерные метода расчета струйных газодинамических охлавданцих устройств, которые позволяют оценить энергетические характеристики устройств ( (Цхн, эксергетический КПД %ех ) и целесообразность применения этих устройств в конкретных технологических процессах охлаждения пищевых продуктов.

Предложены конструкции и способы использования струйных газодинамических охлаядаздих устройств для контактного охлаждения пищевых продуктов; их новизна запрещена авторскими свидетельствами. Предложены, разработаны к испытаны устройства для производства "ледяной" воды, льдо-водяной смеси и снежного льда; новизна разработанных конструкций защищена авторскими свидетельствами.

Изготовленное и внедренное на Кургашшском птицекомбинате струйное газодинамическое устройство, работающее в качестве генератора "ледяной" вода, снизило продолжительность охлаждения продукта на 20-30 % и обеспечило увеличение производительности линии обработки птицы, при сокращении удельной энергоемкости линии на 14-15 %. Это обеспечило окупаемость устройства через 768 часов после ввода в эксплуатацию.

Разработано и внедрено струйное газодинамическое устройство для обработки неосветленного яблочного сока перед промежуточным хранением; по данным КФ ВШШКОП продолжительность хранения сока до промышленной переработки увеличивается в 2-2.5 раза/

Технологическая схема предварительного охлаждения овощей при их сборе на плантациях с использованием разработанного в КПИ струйного охлаждающего устройства для получения "ледяной" еояы и снеаного льда рекомендована ВНЖКОН к промышленному применение. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 16.03 -техника и физика низких температур в вузах Российской федерации, Украины а Болгарии.

Апробация работы. Основные положения и'результаты диссерта-

дата доложены и обсуадзлиеь iia Всесоюзных научно-технических кон-ференцих по производству и применению холода в отраслях народного хозяйства (Ташкент, 1977, Ленинград, 1981, 1986, Тбилиси,1984, Москва, 1985, Кишинев, 1987); Всесоюзных научно-технических семинарах (Баку, 1981, Таллин, 1981, Ташкент, 1982, Севастополь, 1982); Всесоюзном семинаре по проблемам криогенной техники и кондиционирования воздуха при МВТУ (Москва, 1980, 1981, 1983); межреспубликанской научно-практической конференции по холодильной технике и технологии (Краснодар, 1992); международных научных сессиях Высшего института хранительной и вкусовой промышленности (Пловдив, Болгария, 1983, 1989); 5-й национальной научно-гзхнической конференции по холоду (Пловдив, Болгария, 1986); £Х1 научно-технической конференции по холодильной технике и хондиционированию воздуха (Познань, Польша, 1987); научно-тех-зических семинарах в ГШГУ (Москва), СПбТИХП (Санкт-Петербург), ЗИХВП (Пловдив, Болгария) (ISS0-I99I гг.).

Публикации. По содержанию диссертации опубликовано учебное пособие, 47 статей и тезисов докладов, получено 13 авторских :видетельств на изобретения, броцзовая медаль ВДНХ (Москва,IS77).

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 1кти глав основного текста, выводов по работе, списка использованной литературы в количестве 445 источников, в т.ч. 45 иност-)анных, 179 патентов США., СССР, Англии, Франции, ФРГ и дрл, и трилааений.

Общий объем составляет 325 е., где 268 с. основного текста, ¡ т.ч. 151 рис, на 78 е., 9 таблиц, и приложения на 37 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работа, сформулированы [ели и задачи исследований, их научная новизна и практическая (ЙЗЧЙМООТЬ. '

В первой главе проведен обзор патентов и немногочисленных ' ■еореткческих и экспериментальных исследований газодинамических 1хландащих устройств, выполненных А.И.Чарным, А.А.СтодяроЕкм, [.М.Шнайдом,. Р.Симонов, Н.МискроЙ и др. Выявлено, что в ей-ентных описаниях устройств теоретический анализ явлений отсут-

ствует; предложенные конструкции характеризуют эмпирические режимные параметры и определяющие размеры; теоретические исследования носят фрагментарный характер, методически разрознены и недостаточны, чтобы выявить эффективность предложенных и разрабатываемых устройств; при экспериментальных исследованиях ограничивались получением параметров теплоносителя и газа в диапазонах изменения числа Маха 0.5«М1Г5<1.0 и <А<0.3.

При разработке систематики и классификации струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения выявились перспективные направления их развития, был введен в научную литературу термин "газодинамические холодильные машины", и одновременно было установлено, что теоретические представления и имеющиеся методы расчета следует, дополнить и переработать, чтобы создать достаточно полные физические и математические модели этих устройств. Это позволило бы выявить условия реализации низкотемпературного потенциала высокоскоростного потока расширившегося газа при термогазодинамическом взаимодействии со спутно движущимся в нем жидком теплоносителе; оценить возможности формирования в теплоносителе твердой фазы и сохранения достигнутых фазового состояния и температуры теплоносителя при отделении последнего от газа и выводе из устройства.

Расширение диапазона изменения и в МГ5 при экспериментальных исследованиях позволит получить данные, на основании которых можно будет более обоснованно осуществлять проектирование и выполнять оценку энергетических показателей устройств по условиям ввода в конкретные технологические процессы контактного охлаждения пищевых продуктов.

На основе изложенного сделан вывод о необходимости проведения теоретических в экспериментальных исследований, выполнение которых позволит разработать научные основы нового направления в области технологического холодильного оборудования для пищевой промышленности, включающего струйные газодинамические устройства для контактного охлаждения пищевых продуктов.

Во второй главе изложены термогазодинамические основы теории газодинамических охлаждавдих устройств со струйный течением гетерогенных систем газа я теплоносителя (в дальнейшем - систем).

В струйном газодинамическом устройстве стабильный поток

массы газа гпг поступэзт vc"^.лe компрессора КМ и теплообменника ГО-1 в сопло Лаваля (ркс.1), где происходи? изоэнтропное расширение газа. Перепад давления ргн/Рг.к - преобразуется в кинетическую энергию газа Нгц, а сопровождается увеличением скорости газа до значения \vV.s и понижением термодинамической температуры газа до значения Тг.5 (рис.2). Пото?: газа после соп-яа характеризуют число ','аха Мне и располагаемые удельная работа растарения

= ^'Г Ьг.хп = )/К\ Дв/кг, (I)

I удельная холодопроизводительность

^"0.5 ~ Ьг.ХП.КК Д^/кГ (2)

После расширения, при адиабатном дмкеааи потока гзза пол-гая энтальпия газа Ьр = Ср.г.1 постоянна, гг

^пользование располагаемых температурного перепада лТ-Т^-Х., : невозможно для охлаждения неподзотюго тела, сбиваемого гатоксгл газа, т.к. тормозенпе поток?? щвдодит к псвакенив зн-•альпии газа ЬГ5 до значения а5 . Изменение Пг определяется ■олысо внешним г-яергообменом: ~ ,

де - элементарная теплота, подведенная я гг=зу; ~

лекентарная работа, совершенная над газом.

В струйных газодинамических устройствах в потек газа ГПг камере смешея;ш вводится поток глассы теплоносителя . ко-орнй по отношеш:ю к газу является внешним тело?,«. Газ» усдоря-сь в сопло до значений 0-.5-Мг| 2.0, вследствие дейсткш сил язкостного взаимодействия перемещает взвешенные в потоке час-кцн, формируя "капельное облако". При этом частицы с малыми каметрамл & к движутся с коэффициентом отставания ^/^'■Ъ.Мги пизким к единице; частицы с большими значениями (¿к/х движутся ■ коэффициентом <^<1; вследствие этого крупные чэстада ста-эвятся мишенями, которые разбивают мелкие частицы. Одновремен-э, при достижении критических значений чисел Вебера проводит разрыв частиц на более мелкие. На преодоление сил по-грхностного натяжения к образование новой мелфазной поверхко-"и к см при дроблении частиц затрачивается работа ; на следующее достижение сформированным "облаком" мелких частиц

|__^К.хпккц

ХолоЭоприемник

Рис.1. Схема энергетических и массовых потоков газа и теплоносителя

в принципиальной компоновке струйного газодинамического устройства

КМ - компрессор; ТО-1, ТО-2 теплообменники газа;ГДРС - газодинамический расширитель-смеситель

р р р РС.Н кс.кн

а)

Екет

ЕХП.Н

гхакн

К.ХП.КН

1 КХПКН

8)

Рис.2. Зависимости изменения параметров газа и теплоносителя

при взаимодействии а струйном газодинамическом устройстве а - при формировании системы "газ-теплоноситель"; б - при разделении системы на теплоноситель и газ в холодоприешшхе

коэффициента отставания S/к.o,гzWк.c^^/^г.cм^i Расходуется работа 6ц, . При формировании гетерогенной системы газом затрачивается работа смешения 6см • и оставшаяся удельная работа газа Р _ Р Р _ Р _ Р

Ьхпн ~ - Ч* ^см Да/кг (3)

Силовое взаимодействие потока газа с вводимыми частицами трансформирует часть располагаемой работы газа в теплоту трения и смешения , что снижает располагаемую величину $ до значения

Яо.г.€и 9 - % - Я СМ . Дг/кг (4)

Движение-и дробление частиц в потоке газа сопровождается интенсивным теплообменом между частицами теплоносителя и холодным газом, из-за больших перепадов температур между ними, существенного увеличения поверхности межфазового контакта и достижения критерием Био значений Ы^ 0.1, обусловленных формированием частиц с диаметром менее 100 мкм.

Количество теплоты <1^, вводимой теплоносителем в поток холодного газа, частично расходуется на газодинамическую стабилизацию течения газа в соответствии с законом обращения воздействия

. < .<ашн (5)

* г ' нг Р жг а1 о* шн

для достижения значения Мр.«, = I, частично ) обеспечивает подогрев газа до значения температуры Тгсм (рис.2,а).

Охлаждение частиц происходит в зависимости от соотношения

«-и-С^кх) Д^/кг. (6)

где удельное количество теплоты, отводимой от частиц, составит

ЪЛ7«7*)**1* + Ъ-Ъ.см) (7)

При понижении термодинамической температуры газа ниже температуры замерзания частиц Т^ , в зависимости от величины -и. осуществляются процессы охлаждения, частичного замерзания частиц с из?ленением доли твердой фазы £ в интервале 0<$£ 1.0, достижение значения §■ - I и понижения температуры частиц до значения тк см аТгсн . Поток системы после прохождения камеры стабили-

зации характеризуют парзч?-^ Ч.£М<Тв. ; >Ргсп % Ра<г,

три числе Маха МГС!Ч~ I; охлаждающую характеристику устройства шределяет состояние теплоносителя в твердой фазе (§ - I) при V, в смеси фаз (0</<1) при Т|-.ем=Т/ <Тое или 5 жидкой фазе ( § =0) при Т^ <Тк.см < Т0.с .

Разделяемые в холодоприемнике газ к теплоноситель характе-1изуют температуры торможения

Тг.хп е тгсм + 0*Нксн'Тг.т.г-<:р.г.1. > (8)

Ткхп = Тк.см ♦ > (9)

Коэффициент восстановления температуры газа Г^.т.г определятся газодинамической обстановкой в холодоприемнике; частицу в бьемном пространстве холодоприемнкка характеризуют две степе-к свободы и разнообразие образовавшихся структур (льдинка, нежинка, неполностью протгерзиая капля, жидкая капля). Беллчк-а коэффициента восстановления температуры частицы "г*-т.к оа-искт от условий взаимодействия частьцч с граннчнымк поверхнос-г:ми холодоприемпика: прямого "лобового" удара с деформацией л зпареиие,и; удара с дроблением и частичным сплавлением; косого пара без деформации или с частичной деформацией час-гкцы; с поручением частицы в жидкостной или демпфиругсцаЗ слой; крстояа-зйком движении частицы вдоль граничной поверхности; рез:<с:<г га-зчии скорости газа при продолжавшемся движении частик в сводной струе и др.

Отличия теплофизичесг.кх свойств газа и теплоносителя ( °с » »^ь показателя адизбаты сжатия К для газа и коэф-щиента сжимаемости к для частиц, различие в величинах кээф-гциентов Г^<тг и Г^ ТК обеспечивают получение температур тепло-юителя Тас и газа Тг^Т^и позволяют сохранить достигну->е фазовое состояние теплоносителя после прохождения системы :рез холодовриемншс.

Оставшаяся работа потока газа

- £ .Р -Р -Р -Р

Г.ХП.Н ~ V* Р2 * см ТР Да/кг (10)

илизируется, в зависимости от компоновки принципиальной схем»' руйного газодинамического охлаждающего устройства (рис.1):

для поддатня газа в диффузоре до давления Ргхп.Э<р.кн П?Е гравитационном разделении системы и повторном использовании газа в компрессоре, для механического разделения системы при срабатывании в механизме пневмопривода или для перемещения частиц в свободной струе гидроаэрозоля при контактном охлаждении.

Таким, образом, охлаждающий потенциал расширившегося высокоскоростного низкотемпературного газа используется после ввода в с путный йоток с газом жидкого теплоносителя, путем формирования из последнего мелкодисперсного капельного облака, проведении равновесны^ процессов энергообмена и последующего проведения неравновесного энергомассообмена между газом, частицами и граничными поверхностями при разделении системы на частицы и газ.

Третья глава посвящена разработке математических моделей смесителя и холодоприемника струйного газодинамического охлаждающего устройства, которые позволяют определять параметры газа и теплоносителя в процессах формирования гетерогенной системы и ее разделения на выходе из устройства.

Формируемая система при <1> 0.01 является двухфазной и многокомпонентной, и в общем виде описывается трехмерными нелинейными дифференциальными уравнениями Навье-Стокса; применительно к двухфазным многокомпонентным течениям уравнения модифицированы к одномерным дифференциальным уравнениям Г.А.Салтановым, Л.Б. Стерняшш, Дк.Клигелем и др. Для получения конечных аналитических решений системы нелинейных дифференциальных уравнений при разработке математической модели смесителя были приняты следующие допущения: частицы имеют форму сферы, нескимаемы, равномерно распределены в каждом поперечном сечении л? после завершения процесса раздробления, монодисперсны; газ совершенный; течение газа квазиодномерно, стационарно и адаабатно относительно окружающей среды; значения Ь/г и в каждом поперечном сечении осреднены; влияние частиц на течение газа проявляется первоначально в наличии следа за частицами, затем в результате смешения частицы равномерно заполняют все поперечное сечёние канала; процесс смешения происходит за определенное время, в ряде случаев - мгновенно; значения тг и ГПк вдоль граничных поверхностей Р^, постоянны; частицы не образуют конгломераты и не налипают на граничных поверхностях; влияние пограничного слоя

не учитывается; процесс смешения не сопровождают необратимые химические реакции; при смешении величина импульса Зс*1 сохраняется при условии компенсирующего изменения Рр.кс ■ закон изменения сечения канала Рщ'Ф^) принимается известным; беспорядочное движение частиц не дает вклада в величину ргем; значение записывают в форме <^«<Р('(гег); профиль в каналах ^»"^.¿жр принимается плоским и, независимо от радиуса кривизны канала Г^ газ движется с постоянной скоростью в каждом поперечном сечении канала; при течении газа в сопле ЛаЕаля влияние пристеночного пограничного слоя не учитывается; при оценке отношения Ррд. /Тр.с.кр поправка на толщину пограничного слоя не вводилась; потери дРтр в двухкомпонентном потоке принимались не большими, чем в потоке газа, поскольку частицы подавляют турбулентность потока; геометрические границы устройства определены на всем протяжении течения газа и теплоносителя; электрические и гравитационные силы не учитывались.

При рассмотрении процессов тепло- и массообмена в условиях формирования гетерогенной системы принимались допущения: значения Ср.к определялись в форме Срк а£РСТ*,/), в ряде случаев Ср к принимали постоянной; значения Срг определялись как функция Тг.с и состава газа, в ряде случаев Ср.г принимали постоянной; теплообмен между газом и теплоносителем осуществляется конвекцией; критерий Нуссельта Уаг представлен в виде Уиг«Ф((?СГ); частицу характеризуют максимальные значения , если критерий Био Вс< 0.1; значения ^с жидкой и твердой фаз зависят от Тк<1 ; все элементы устройства нетеплопроводны;газ и теплоно-зитель не обладают химическим сродством; значение радиуса зри наличии массообменных процессов принимается переменным; при зереходе частиц в твердую фазу массообмен с газом отсутствует;. конденсация из влажного газа или кристаллизация жидких частиц & влияют на газодинамические взаимодействия в потоке.

В основу математической модели газодинамического расширите-1я-смесителя положены следующие основные уравнения: сохранения шергии и импульса, массового расхода для газа и теплоносителя, сравнение состояния газа, движения и теплообмена для сферической сапли; газодинамические соотношения; зависимости, характеризующие параметры смеси, в виде

'16 05-У/г.и ) + Ьк.н ♦ 0.5 )] =

г & [(Ьпо* +"с'см)+"<Кси * &5.Ц/Д«)] >

Ср.сы *(С,.гс + и-* <45 (с,1)

Рг • ЛЯг-Тг ' Л см ® Рг.£М /Тг.сн- Кем >

^г "ЯГ" я* <*е '

^¿¿.ий/СкЛ'Н^ '

Ргл = а%Ы*)Ккн)/2к 1А.1..

После ряда преобразований получены дифференциальные уравнения взаимосвязи параметров газа и теплоносителя в системе на выходе аз смесителя (рис.3), в виде

Рис.З. Принципиальные схемы компоновок газодинамических

расширителей-смесителей (ЛДРС)

I - распределитель частиц; 2 - сопло Лаваля; 3 - накопитель теплоносителя; 4 - камера смешения; 5 - камера стабилизации системы- "газ-теплоноситель"

4.0 1.2

ис.4. Зависимость доли твердой фазы £ в массовом расходе теплоносителя от массовой концентрации <1 и числа Маха Мг5 для модельной системы "воздух-вода"

¿Уем

<Ы

(12).

При разработке математической модели холодоприемника предусматривалось протекание через него "замороженного" течения газа и теплоносителя, условия взаимодействия которых с граничными поверхностями ж в обьемном пространстве определялись с учетом следующих допущений. Применительно к газу поток принимался одномерным; протяженность скачка уплотнения соизмерима с длиной свободного пробега молекул; характерное время перестройки параметров газа при переходе через скачек уплотнения имеет порядок^р-1СГ7с, что на несколько порядков меньше, чем характерное время движения частиц; перестройка параметров газа в скачке уплотнения происходит без учета параметров и массового содержания частиц в система; после перехода через скачек предусматривается равномерно-замедленное течение газа. Применительно к движению частиц принято, что до пересечения ударной волны параметры частиц мало отличаются от параметров газа; поле температур в частице жидкой или твердой фазы близко к равномерному; энергетическое взаимодействие с газом осуществляется после прохождения скачка и наступления времени релаксации; теплообмен излучением не учитываеся.

В составе системы взаимодействие газа к частиц с граничными поверхностями и в обьемном пространстве холодоприемника описывают дифференциальные уравнения сохранения и энергообмена, записанные в виде

ёЬ

¿е

" ¿+4С М/'

19 г

(?пхл) -(ТГСМ' Ср.г.см + 0 0 " ^(ТГ ХВЖН-¿Р.Г.ХЯКН*

+ '(13)

ег ткн К2ХП.Ц- "г*„.Кн) - Срххп (Тг.хЯ.кн -ТПтиЯ«(14 )

^Г.сл«___±_СР П -

(дЕкк) = 0- а-Я- wi.xa.KH)], !С18)

их решение позволило получить выражения для определения параметров газа и частиц на выходе из холодоприемника струйного газодинамического устройства:

Ч.ХП.КН" тгсм-Кг Чей: ) (10)

Тгхп.кн=Тгсм- гСрГСМ »(Упад'^дкн)-05-с£т.кн ^ (20)

tp.nxn.XH

р _Р ____(21)

ГГ.ХП.КН - гг.си \1(к+1) Мг.см ^К+4' -1 Л

Ткхп.н

Мк. ха кн в ¥хп.н С кпкн ) (23)

Действительные процессы в смесителе сопровождаются межфазо-выгл трением и перестройкой стру1{туры потока, скольжением фаз, деформацией полей скоростей и давления, трением в пограничном слое на граничных поверхностях, конденсацией паров из газа на частицы теплоносителя и обратным испарением жидкости в газ. Поэтому в математическую модель смесителя введены.коэфкциектк, учитывающие влияние с;:л трения ^тр, коцденсзцкп паров нз газа

, испарения теплоносителя в газ Ума, отставания частиц от газа по скорости *ркс и запаздывания частиц по достижению равновесной температуры с газом Уси» позволяющие оценить реальные

величины параметров газа и теплоносителя.4

Действительные процессы в холодоприемнике сопровождаются нагревом частицы при прохождении пограничного слоя из-за ламинарного теплообмена; при подлете частицы к пограничному слою температура сферы составляет порядка 50 % значения температуры в критической точке; при взаимодействии с пограничным слоем частица разрушается или деформируется; удар частицы о поверхность привив .»лается неулругим, кинетическая энергия частицы переходит в теплоту торможения, которая распределяется между поверхностью и частицей так, что часть теплоты рассеивается в пограничный- слой, а другая часть прогревает или расплавляет частицу.

Поэтому в математическую модель холодоприемника были введены коэффициенты воздействия , которыми учитываются: влияние на изменение параметров газа и теплоносителя демпфирующих свойств пограничного слоя на .граничной поверхности , соотношение температур газа и пограничного сдоя или окружающей среды )гд4,г.ос, соотношение скоростей газа и частиц у граничной • поверхности , торможения -частиц у поверхности Ут.к.Р» оплавление частиц при ударе о поверхность ^ > продолжительность взаимодействия поверхности и частицы у .

Значения параметров теплоносителя и газа, определенные из выражений (19..) с учетом коэффициентов влияния Ч^ и воздействия . используют при определении удельной холодопроизводи-тельности устройства Д«/кг, величина которой определяет-

ся, соответственно, при гравитационном отделении частиц и возврате газа в компрессор (Н). при механическом отделении частиц и выбросе газа в окружающую среду О),при подаче частиц и газа в составе системы к обьекту контактного охлаждения (<? ), по выражениям

М 4

Яхн • ♦Э^] +а5'**хп.кн > (24у

Я™ 9 [*Ч<'Ут.Г.Р ] 5 (25)

«й г Яхм + М>*5' (¿"УкСУлЬхел), (26);

а также степени подаатия газа в диффузоре до давления РКхпдф, мощности пневмопривода шш для определения протяженности

струи Здесь

3>S<* ^Ц'Тксм); >

= К^к.и-Тк.хп.^/"Пс.см)-¿к]iTV'СцпсАСТо.с-Тг.сн))

Составленные математические модели струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения, достаточно полно опн-сывапдие протекающие процессы термогазодинамического взаимодействия газа и теплоносителя, были использованы при составлении программ расчетов для ЭВМ.

Четвертая глава посвящена обсуждению и обобщению результатов исследований интегральных характеристик струйных газодинамических охлаждающих устройств методами численного и натурного эксперимента.

При проведении численного эксперимента в качестве модельных рабочих тел использовали воздух и воду, т.к. значения параметров этих тел определены в таблицах с точностью ± 1.5 %. Эксперимент доводился на ЭВМ прямым методом расчета, вычисляя параметры газа, частиц и формируемой системы как функцию геометрических па-заметров проточной части элементов в диапазонах изменения бГд , ТГН)Т|с.и .У*.« . а также рассчитывали конфигурацию и протяженность проточной части элементов , задавая значения и. и гараметры системы, газа и теплоносителя на выходе из элементов.

Расчеты проводились применительно к разработанным одномер-мм моделям смесителя и холодоприемника в диапазонах изменения . ¡>Г(4 от 0.2- 1.0 Ма,Тгн иТ|с.и от 290~ 303 значений Яд до 1.08, перепадах температур (TfcH-Tr.s) ДО 250 К, при изменениях Toxinen от 278~ 273 к и it от 0.01- 1.2. В качестве рабочего аза рассматривались воздух, азот, С02, в качестве рабочей жид-ости - вода, масла, парафин и др.

Было установлено, что в процессе выравнивания параметров отока поле скоростей в сечениях цилиндрической камеры смешения ожно описать уравнениями центральной части свободной струи, то можно объяснить наличием турбулентного перемешивания в пото-

ке. Наличие такой картины изменения полей скоростей в различных сечениях потока подтвердило справедливость использования интегральных зависимостей, отражающих законы сохранения количества движения и энергии в потоке, что позволило определять параметры потока в сечениях камеры смешения и холодоприемника по начальным параметрам соответственно смешиваемых и разделяемых газа и теплоносителя.

При расчете теплообмена между теплоносителем и холоднам тагом выявилось, что темп и степень охлаждения частиц различны: частицы с сС^с20 мкм охлаждаются значительно быстрее частиц большего диаметра, и на протяженности до 0.2Еке камеры смешения-достигают локальной температуры га за ВТГ5+¿ГТ . Газ, воспринимая теплоту более крупных частиц, продолжает нагреваться; при дальнейшем движении мелкие частицы постепенно достигают температуры газа и крупных частиц; тем самым обеспечивается формирование равновесного температурного поля на выходе из камеры стабилизации. Определенные соотношения режимных параметров системы Т*1.см> ^.см» рг.см и , форглы и конструктивных размеров проточной части смесителя обеспечивают формирование твердых частиц, доля которых $ в потоке массы теплоносителя изменяется в диапазоне 1.0 (рис.4).

Для некоторых комбинаций конструктивных размеров и режимных параметров были выявлены режимы, характеризуемые предельными значениями [лФс- Так, при заданных И и в выходном сечении камеры смешения А устанавливается течение с Мгсм = I; при увеличении -и ^ЕмЗм устойчивый режим течения нарушается из-за появления скачков уплотнения. В смесителе Б увеличение <4>1Чб\р за~. ~ громождает Рр.скр » что вызывает сдвиг положения кр вниз по течению. При фиксированных протяженностях сопла и .камеры стабилизации этот сдвиг приводит к значительному отставанию параметров теплоносителя Тк.с,у/*.», от параметров газа Т^д/^.В случае ипроисходит кризис течения - подводимая к газу теплота затормаживая поток до Мг.си*= I, далее подогревает холодный газ и снижает располагаемый перепад температур дТг , направленный на полезное охлаждение теплоносителя. При достижении значений Ц>|Ч£}р в камере смешеная А или в сопле с.месителя Б, из-за увеличения ргсм происходят нарушения в подаче тешюаоси-

геля из распределителя в поток газа (смеситель А) или подачи теплоносителя и газа в камеру смешения (смеситель Б). Это при-юдит к срывам течения, возникновению ударных волн и обратным •ечениям.

Установление условий наступления "предельных" режимов позво-[ило выявить зоны нормальных условий работы струйных газодинами-[еских охлаждающих устройств, обусловленных совместным влиянием [араметров газа ,ТГН) и теплоносителя ( Ср.* Дг.н )» величиями Mrs и ^ » Анализ показал, что диапазон изменения вели-:ин коэффициентов влияния ^¿j и воздействия от и ЛЛ> арактеризуется значениями 0.91...0.96 (для модельной системы); ем самым совместное влияние этих Коэффициентов изменяло пара-етры газа и теплоносителя в исследованных условиях работы ох-ажданцих устройств в пределах + 5 %,

До проведения натурных исследований было проведено планиро-ание эксперимента, учитывая влияние факторов, существенно влия-¡цих на формирование и конечные параметры системы: ST^, То е t rK.n,Tr.HlCpK(C?pr,rjt^)dc,dw. Поскольку струйные газодинамичес-ие устройства для контактного охлаждения; характеризуется тем-ературой теплоносителяТ^^^, функцию отклика У|»Ф(Тк) опре-елили- по условиям проведения ПФЭ 23, т.к. принятые факторы вли-яия оценивались как управляемые в процессе эксперимента, одно-яачные, совместимые и независимые. Линейная модель взаимозави-имости всех факторов проверялась на адекватность теоретическим зсчетам по критерию Фишера Fh и было установлено, что уравне-ie регрессии адекватно описывает исследуемый процесс в регули-^емом диапазоне изменения аргумента, Поскольку рассчитанные зитерии Корхена Кг* и второй критерий Фишера гп оказались мень-> теоретических значений, был сделан вывод, что при проведении дурных экспериментов будут обеспечены воспроизводимость про-зссов и стационарность их протекания.

Для получения информации, необходимой при численном экспери-:нте, проверки адекватности разработанных математических моде-¡й реальным струйным газодинамическим охлаждающем устройствам, [ли разработаны и изготовлены экспериментальные стенды и опыт-»-промышленные устройства, включающие компрессоры и теплообмен-[ки охлаждения воздуха, варианты конструкций устройств и комп-:кс измерительной аппаратуры, которые испытывали в КШ1, на кис-

леке измерительной аппаратуры," которые испытывали в КПК, на кислородном и компрессорных заводах Краснодара, в КФ ВНИИКШ, на Курганинском птицекомбинате.

Экспериментальные исследования проводили на системе "воздух-вода", отдельные испытания на системе "воздух-яблочный сок"; в процессе испытаний использовали компремированный промышленно очищенный и осушенный воздух С Угн= 1.0), в отдельных испытаниях использовали воздух, дополнительно осушенный селикагелем до точки росы при температуре 201 К (Угк= 0.1).

Смесители изготовляли в виде цилиндрических и плоских сопел Лаваля, с цилиндрическими камерами смешения, с цилиндрическими и коническими камерами стабилизации. Жидкость вводили в поток газа через распределители, в которых предусматривали перфорацию концентричными рядами, в обьеме цилиндрического кольца, через щелевые каналы, расположенные под различными углами и др. Холо-доприемник выполнялся как гравитационный (<?32гиг), пленочный (<Г 33аг) или роторный (Н 13 ГйГ).

Методика натурных экспериментов, разработанная совместно с Ю.С.Беззаботовым, предусматривала замеры параметров газа и теплоносителя в характерных точках и сечениях устройства (рис.5). Отбор давлений по длине сопла проводили через передвижной зонд из стального капилляра 0 2/1.6 мм, длиной 60 мм, носовая часть которого имела форму, учитывающую течение газа при Мг^>1. Статические давления РГйтх в проточной части измеряли через отверстия 0 0.45 ж в стенках; полные Рггм^ и статические рГсг.с, Деления и температуры торможения Тг.т^ в потоке измеряли изготов- . ленными Ю.С.Беззаботовым малогабаритными комбинированными датчиками. Конструкции датчиков исключали возникновение погрешностей в определении величины давлений более 1 % я температуры торможения более 1.5 ^отношение диаметра датчиков и зонда к диаметру канала течения - менее 0.01; приемные отверстия для отбора ргги ^ составляли не менее 0.3 наружного диаметра датчика; отверстия для отбора рксг.£ отстояли от носика датчика на расстоянии не менее трех диаметров датчика; головки термопар центрировались по внутренним диаметрам датчиков теплоизолирующими проставками.

Оценку влияния частиц в составе системы на показания датчи-

г км

Рис.5. Принципиальная схема размещения датчиков давления I и температуры 2 в точках и сечениях струйного газодинамического охлаждающего устройства (вариант го«-поновки)

К ?0

В-(О

I I "1

лЧ'^С4^

0.1

л I

А^к.хл* К 30

20

10

Т-г

£

Т.-г

■г*

•в«

■ 257 К _ —о— в«

ОЛ

0.2

±

аз и

ом

а.2 а:

а) б)

Рис.6 Зависимости изменения степени охлаждения теплоносителя

от числа Маха и И,

а) при изменении относительной влажности воздуха на входе в устройство

0) при различных конструкциях холодоприемнлков

Pec. 7. Зависимости изменения удельной холодопроизводи-тельности (^^от 'числа Маха газа Мг.$ и 41 для системы "воздух-вода" (холодоприемник Hl3rur)

%

в 7

е

5

ч з

о од аг аг ом asu

Рис.8. Зависимости эксергетического КПД устройства *1 от U и конструкции холодоприемника

т-1-1-г

\ д

\л -

- о/ хп-тзги- -

-¿Л_I_I_I_I_

ков давления и температуры торможения проводили, учитывая влияние изокинетичности, воздействие силы Магнуса на частицу при подходе ее к трубке датчика; при динамической тарировке датчиков значения коэффициента составили от 0.82 до 0.94.

При проведении натурных экспериментов абсолютные погрешнос-. ги измеренных значений параметров газа и теплоносителя устанавливались на основании класса точности примененных приборов, с указанной предельной погрешностью: расход воздуха - нормальны-ли диафрагмами с дифманометрами (+ 5 %); расход воды - ротаметрами и объемным методом (+ 2 %); температуры - термометрами ;+ I %), при необходимости - по сухому и мокрому термометрам !+ 1.5 %); температуры в потоке замеряли хромель-копелевыми 'ермопарами (+ 2.5 %), прошедшими тарировку по ГОСТ 13.648-68,

подключением к потенциометрам типа ЭПП-09М2; статические и голные давления - образцовыми манометрами (+ 0»5 %),

По результатам проведенных экспериментов величины предель-ых относительных ошибок при замерах в интервалах изменения МГ5= 1.2-2.0 и 41 = 0.1-1.2 составили: для Н^ от + 2.9 до .5 для + 1.5-3.5 %, для дТг + 12.7 %. Точность из-ерений и обработки эксперимента соответствует уровню совре-енных требований, предъявляемых к проведению газодинамичес-их испытаний устройств, работающих в диапазоне 0.8<НГ4*2.0.

Натурные эксперименты позволили получить более 100 режимах характеристик исследованных компоновок смесителей и холо-эприемников, применительно к модельной системе, в диапазонах зменения 57^, = 0.33-0.II, НП5= 1.2-2.0, Тр.н = 293-313 К, Ц до 1.2, Тк.н = 291-297 К, Тк.кн = 273-275 К, <1.0. гзультаты, приведенные на рис.6,7, показывают хорошее количе-евенное совпадение расчетных кривых для дТКхп и^,хпКн с экс-;риментальными данными. Расхождение значений параметров газа, ¡плоносителя и системы в контрольных сечениях находились в >еделах II %, среднее отклонение опытных данных во всем диа-¡зоне изменения 1уг > Рг ¿Тг» аТк не превышало 5 %. Только при ;ачениях ЛЛ< 0.1 расхождение теоретических и эксперименталь-х данных составило до 20 %, что обусловлено стягиванием час-ц в зону-центральных струек, где происходят газодинамические юцессы, обусловленные формированием твердой фазы теплоноси-

теля. Проведенное сопоставление результатов численных и натур* ных экспериментов выявило их полное качественное и удовлетворительное количественное согласование. Таким образом, разработанные на основе квазиодномерного, метода, дополненного апробированными допущениями, математические модели смесителя и холодоприем-ника позволяют рассчитать значения параметров газа, теплоносителя и системы, и, с достаточной для инженерного приближения точностью, получать интегральные характеристики конструктивных компановок устройств применительно к конкретным условиям контактного охлаждения продукта.

Б пятой главе изложена методика инженерного расчета конструктивных и режимных характеристик струйных газодинамических охлаждающих устройств, приведена оценка диапазона изменения эк-сергетического КПД , рассмотрены технологические показатели устройств и области их использования при контактном охлаждении пищевых продуктов.

Поле скоростей газа в элементах струйного газодинамического устройства обуславливает распределение введенной жидкой фазы теплоносителя и продолжительность пребывания частиц в отдельных зонах; поле температур определяет продолжительность охлаждения в камерах смешения и стабилизации; поле концентраций определяет интенсивность процессов массообмена. Проведенный при натурных исследованиях переход от экспериментальных стендов к опытно-промышленным устройствам показал, что масштабные факторы не влияют на процессы формирования, перемещения и разделения системы, но оказывают влияние на величины потерь Утр кс г ^см >

• К0Т0РЫМИ в совокупности снижаются величины степени охлаждения ¿ТК хп , ^-хлл и Яви *

Решение уравнений движения, неразрывности и энерговзаимодействия для двух подобных потоков, при допущениях, что объемная концентрация частиц и¥ не превывает 0.05 и Зи/ЭТ = о, позволила установить, что двухкомпонентную турбулентную систем му характеризуют критерии Рейнольдса Кб , Лапласа ¿а , Вебера , Эйлера Ей , гомохронности Но , Маха М , Прандтля Рг» , Нуссельта «¿ш. и комплексы

Условия однозначности, записанные в виде S'GA7ft^idem -t const; ЛР„ * const; 0<и <£ц7£ > Ci /dL - ¿dem,

ЪТ

при постоянстве коэффициентов подобия >Ki »const позволили устано-зить, что струйные газодинамические устройства, обеспечивающие контактное охлаждение, характеризуют функциональные уравнения геометрического подобия , газодинамических характеристик троточной части Хи , дробления частиц при взаимодействии с пото-сом массы газа Jf^, протекания процесса энергообмена и вре-аенной взаимосвязи J6? в виде

V -фГ W'Zf* ) }( Рг л) 1> ¡(27)

хн » )/(*«„• Hicjj, |C28)

K,s = *lVe; Но > ) ¡(29)

X,r. Ф[ V.; Pr, (Jkfcj, (ф(Ш>0)

rt-r,J-K), ! (3D

цраведливые для Rl< 100, в диапазонах 9* 18, ж 0.5<МГ^2# гри изменении Ы от 0.1 до 1.2 и доле твердой фазы в потоке J* I.

Методика инженерного расчета устройства, основанная на раэ-аботанных математических моделях смесителя и холодоприемника, озволяет последовательно определять параметры газа, теплоноси-еля и системы в характерных сечениях элементов« Это позволяет ычислять интервалы изменения дТ„.хц и оценивать условия сохране-ия величины / при разделении системы в холодоприемнике, приме-ительно к конкретным условиям эксплуатации охлаждающего устрой-тва обеспечить определение величины QXH с уровнем доверитель- < ости ±12%,

Энергетическая оценка охлаждающих устройств эксергетическим ЦД в вице

7 QxH-tX fox.H-QxH.l 'Ухп • (Тс.<; -TK-xukhL

'*Х= KJbjtii ' Я*-н+Т^вш. (32)

з Соотнесена к теплоносителю с температурой Т^ иц^приТ^«!^;

^сумма мощностей нагнетателей газа и теплоносителя, Вт; ^ - коэффициент потерь в холодоприемнике, равный

9 -1 ТУ.н-Тк.хп.кн ;

гЬк.н Тк.н-Тк.хп.кн.ру

показала, что по результатам численных экспериментов, при значениях 5Гд до 0.1, и до 1.2 и Тц.н = 293-303 К,2*„= I получены величины Я^ру порядка 0.2-0.24. В натурных экспериментах, принимая чТк.н , были получены зависимости изменения режимных параметров МГ5,41, установлено наличие зон максимальных значений Ч^ у исследованных устройств (рис.8). Также анализ показал, что основные потери эксергии соотносятся с использованными при работе устройств компрессорами (Ргхкн= 0.25-0.4), теплообменником охлаждения газа ТО-1 (3>ех.то= 0*15-0.30). Остальные потери (от 0.3 до 0.5) относятся к смесителю и холодоприемнику, и обусловлены .торможением газа о частицы, недорасширением газа, возникновением прямых и косых скачков уплотнения, взаимодействием частиц с граничными поверхностями устройства.

Практическая реализация теоретических и натурных исследований заключалась в разработке новых конструкций охлаждающих устройств, систем и способов их использования: для контактного охлаждения птицы и колбасных изделий, плодов и овощей на плантациях, в производстве соков и порошков из расплавов, в биотехнологическом производстве, для получения "ледяной" воды и мелкозернистого льда. Новые технические решения защищены авторскими свидетельствами.

Использование опытно-промышленной установки в системе гидро-охлаадения птицы на Курганинском птицекомбинате позволило обеспечить нормативные температуру и санитарное состояние тушек, снизить продолжительность охлаждения на- 20-30 %, сократить удельную относительную энергоемкость на 14-15.%, что обеспечило -окупаемость струйного газодинамического устройства после 768 ч от ввода в эксплуатацию.

При газодинамической обработке и охлаждении, с целью промежуточной консервации, неосветленного яблочного сока использование струйного газодинамического устройства позволило, при удельных энергозатратах 0.264 кВт-ч/л, изменить содержание взвеси

соке от 5 % до 0«01 %, довести прозрачность сока до 30-32 .е. НТУ, увеличить продолжительность хранения сока до достиже-ия максимально допустимого содержания спирта (поСОЭ Ст.48-1984 Ст.СЗВ 5218-85) в 2-3 раза.

Технологическая схема предварительного гидроохлаждения вощей при их сборе на плантациях с использованием разработаю-- : ого в КПИ струйного газодинамического охлаждающего устройства екомендована ВНИИКОП к промышленному применению. При получении ледяной" воды и охлаждении продукта до 275-278 К удельное эне-гозатраты до 0.04 кВт-ч/кг обеспечивают удлинение срока хра-ения овощей до промышленной переработки в 2.5-3 раза без суще-гвенного снижения качества и уменьшения потерь овощей от усу-ки.

Выполненное исследование в области создания научных основ груйных газодинамических охлаждающих устройств позволяет созывать устройства, в которых можно обрабатывать и охлаждать вдкие технологические продукты,'.содержащие мелкие и крупно^ асперснне взвеси, неосветленные соки, коллоидные растворы, ви-эматериалы, кормовые дрояжи, крупяные отвары,^вязкие растворы "липкие" аморфные продукты (пульпы,'пасты); для получения, зтового продукта из набора с:,".впиваемых компонентов, в которых включаются реакциии взаимодействия до последующего использо-зния; для сохранения ароматикп в продуктах с высокой сравни-зльной влажностью; для коагулирования, агломерации и инстан-1зации текстурированпых растительных белков; устройства раз-1тия или подавления жизнедеятельности микроорганизмов.

Тем самым созданное новое холодильное технологическое оСо^ ^дование обеспечит в непрерывном потоке перемещение и контак-юе охлаждение сырья, полуфабрикатов и продуктов в отраслях нцевой промышленности (консервная, винодельческая, бродиль-ш, масложировая), в биотехнологических, ферментных и фарма-;втических производствах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате выполненных исследований решен когяшекс задач, травленных на разработку нового научного направления в облас-

ти холодильного технологического оборудования, которое содержит научнне основы создания струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения пищевых продуктов.

Б работе сделаны следующие вывода:

1. Разработаны основные теоретические'положения, определяющие условия создания струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения пищевых продуктоз, включающие физическую модель процессов энергообмена при формировании потоков газа и теплоносителя, при их струйном спутном движении, в гетерогенную систему "газ-теплоноситель" с темпера-турой ниже температуры окружающей среды, в интервале чисем Маха I<-Mr,sz2, при массовой концентрации частиц теплоносителя в гззе -и, от 0.01 до 1.2.

2. Разработаны математические модели струйного газодинамического устройства,-позволяющее определить величины параметров газа и теплоносителя при формировании, течении и разделении системы "газ-теплоносктель", с сохранением охлаждающей способности л фазового состояния частиц теплоносителя.

3. Оценены условия формирования "в устройстве твердой фазы теплоносителя (Osfis I) и обеспечения сохранения этого состояния и температуры теплоносителя ниже температуры окружающей среды при выводе из охлаждающего устройства,, а интервале чисел Маха O.Ii£Mrxif 0.9 и значениях -а до 1.2.

4. Установлены условия наступления "предельных" режимов, которые обусловлены совместным влиянием параметров газа (Mrs) и теплокоснтеля(температурой Тк и теплогжоетью Срк), величиной массовой концентрации <Л и геометрическими характеристиками проточной -части камер смепения и стабилизации.

5. Получено более 100 рабочих характеристик струйных газодинамических охлаждающих устройств при работе на модельной системе "воздух-вода", в диапазоне степеней расширения газа = 0.33-0.08, начальных температур газа и теплоностителя от 303 до 278 К, чисел Маха для газа после сопла Mrs = 1.2-2,0, массовой концентрации и, = 0.01-1.2, при достижении доли твердой в теплоносителе Результаты численного эксперимента убедительно согласуются с результатами, полученными в натурном экспериментеt что позволяет судить о достаточной адекватности математических моделей их физическим аналогам.

б» Установлена возможность достижения значений эксергетнчес-5Го КЦД *1ех охлаждающих устройств в режиме получения "ледяной" злы в интервале значений 0.14-0.16, в режиме получения водного ьда - до 0.08.

7. Разработана методика инженерного расчета струйного газо» шамического устройства для контактного охлаждения жидкого те-юносителя, позволяющая осуществить выбор компоновки охлаждаю-■-го устройства, обеспечивающего требуемое качество продукта.

8. На основе результатов проведенных исследований разработа-i устройства для охлаждения жидкости в системах контактного ох-вдения, схемы я технические приложения таких устройств. Их эф-■ктивность подтверждают апробация результатов настоящей работы промышленности и защита ее технических приложений отечествен-ми изобретениями.

9. Применение исследованных охлаждающих устройств целесооб-зно в системах контактного охлаждения в тех случаях, когда новкыми технологическими факторами являются обеспечение бысо-х скоростей охлаждения и фазового перехода в жидком теплоно-теле, совмещенных с другими технологическими процессами, а кже низкие массогабаритные показатели, короткие сроки ввода эксплуатацию, надежность в работе в сохранение окружающей еды, использование в качестве теплоносителя технологического одукта и действующих пневмоэнергосистем.

Основные публикации по результатам исследований

1. Шляховецкий В.М. Газодинамические холодильные машины: збное пособие.-Краснодар: изд.Краснодар.политехн.ин-та,1982.-58 е., илл.

2. Шляховецкий В.М. Некоторые аспекты исследований газо-

I льдообразующей холодильной машины/Долодильная техника.-76.-* 12;-с.49.

3. Шляховецкий В.М.,Беззаботов D.C., Пережогин Л.А. . гройство для охлаждения жидкости, использующее холодильный Ьект истечения из сопла Лаваля//В кн.: Исследования в области зизводства и применения искуств.холода.-Краснодвр: изд.Крас-iap.политехи.ик-та, 1976,-с.25-29.

4. Шляховецкий В.М. К вопросу создания класса газодина-1еских холодильных машин и оценки их основных характеристик $ кн.: Области применения холод.машин и устройств» вопросы

их расчета/Тез. докл. Всесоюз.научно-техн.ковф. по холод, и крио-ген.технике. - Ташкент.-1977.- с.88-89.

5. Шляховецкий В.М. Математическая модель газодинамической холодильной машлны//В кн.: Компрессорные машины и установки,-Краснодар: изд.Кубанского госуниверситета.-1977.- с.75-83.

6. БеззаСотов Ю.С., Троянов Л.Д., Шляховецкий В.М. Экспериментальный стевд для исследования эффекта охлаждения путем использования сжатого газа//В кн.: Компрессорные машины и установки.- Краснодар: изд.Кубанского госуниверситета.-1977,- с.84-89.

7. Шляховецкий В.М. К оценке энергетической эффективности процессов расширения при учете влияния внешней среды//В кн.: Повышение эффективности холод.машиц/Межвуз.сб. научн.тр.- Л.: ЛТИХП.- 1980.- с.47-54.

8. Шляховецкий В.М. Термодинамический анализ воздушной газодинамической холодильной машшы//В кн.: Повышение эффективности процессов и оборудования холод, и криоген.техники/Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн.конф,- Л.: ЛТИХП.- I98I.-=- с.22.

9. Шляховецкий В.М,, Беззаботов Ю.С. Некоторые результаты исследований макетной воздушной газодинамической холодильной дашины//В кн.: Повышение эффективности холод.машин.- Л.: ЛТИХП. г 1981,- с.35-40.

10. Шляховецкий В.М. Применение упрощенной математической модели газодинамической холодильной машины для реального проек-тирования//В кн.: Повышение эффективности холод.машин.- Л.: ЛТИХП.- 1981.- с.40-44.

11. Шляховецкий В.М., Беззаботов Ю.С. Анализ кинетики процессов в камере смешения газодинамической холодильной машины//В кн.: Холод.техника и технология,- Еиев: изд.Технхка.- 1982.- Вып. 34.

- с.45-49.

12. Шляховецкий В.М. Оценка предельных режимов работы соплового аппарата газодинамической холодильной машины/уВ кн.: Тепло-и MaccoodiiSH в телах и системах при различных условиях.- Омск: изд.Омск.нолитехн.ин-та.- 1982,- с.72-79.

13. Шляховецкий В.М., Беззаботов Ю.С. Анализ динамических характеристик соплового аппарата газодинамического охладителя вода//В кн.: Тепло- и массообмен в телах и системах при различных условиях.- Омск: изд.Омск.политехи.ин-та.- 1982.- с.79-84.

14. Шляховецкий В.М. Оценка влияния теплофизических свойств рабочих тел на показатели газодинамической холодильной машины //В кн.: Повышение эффективности холод.машин/Межвуз.сб. научн. тр.- Л.: ЛТИХП.- 1982.- с.102-106.

15. Шляховецкий В.М., Беззаботов B.C., Великовский П.Г., Ле~ бедько М.Е. Оценка применения различных источников холода для гидроохлаждеакя продукции//В кн.: Новые исследования в машиностроении и металлообработке.- Краснодар: изд.Краснодар.политехи, ин-та.- 1982.- с.146-150.

16. Шляхоь-зщий В.М, Систематика класса газодинамических холодильных машщ//Энергетика... (Кзв.высш. учебн. заведений) .-IS83.- Деп, 1ЩШ1химмаш.- 8 е., илл. - Депон.рук.- 1983,- й 6а

- сЛЗО.

17. Шляховецкий В.М« Сценка на хладзлнЕ тгашини за охлазда-зе течно студоносители коэффициентом качества//в кн.: Научно-технические прогрес-фактор за интэнзификацията на хранзателната 1роми!плеиост/ Резккета международ. юбилейна научная сесия Вис-иего ин-та хранителной и вкусовой промипшеност.- Пловдив, Болгария,- 1983,- с.62-53.

18. Шляховецкий В.М. Классификация газовых холодильных маг чин по обобщенным признакам//В кн.: Холод.машины и термотранс-зорматоры/Межвуз.сб. научн.тр.- Л.: ЛТИХП.- 1984.- с.61-64.

19. Шляховецкий В.М. Опенка перспектив развития газодина-гаческих холодильных машш//В кн.: Пути увеличения выпуска и ¡охпанекия качества пищевых продуктовДез.додл. Всесоизн. [аучно-техн.конф.- Тбилиси-М.: ВШКТИхолодпрсм1984.- с.15.

20. Шляховецкий В.М., Беззаботов Ю.С. Результата испытаний гилотной газодинамической холодильной машины для гидроаэрозоль-юго охлаждения пищевых продуктов//В кн.: Пути увеличения выпуска и сохранения качества пищевых продуктов/Тез.докл." Всесоюзя. вучно-техн.конф.- Тбилиси-М.: ВНИКТЙхолодпром.- 1984.- с.16.

21. Шляховецкий В.М. Газодинамический охладитель водыД!я-ная индустрия,- 1984.- Л 7,- с.49.

22. Шляховецкий В.М. Оценка термодинамической эффективнос-и газодинамической холодильной машины при получении "ледяной" оды//В кн.: Холод.машины и термотрансформаторы/Межвуз.сб. аучн.тр.- Л.: ЛШП.- 1985.- с.47-51.

23. Шляховецкий В.М. Технико-экономический анализ примене-ия ШМ для предварительного охлаждейия плодов и овощей в метах сбора урожая//В кн.: Повышение эффективности применения скусственного холода/Межвуз.сб. научн.тр.- Л.: ЛПШ1.- 1985.-

с.121-125.

24. Шляховецкий В.М., Ззззаботов Ю.С., Булавинов Б.Л. Пред-арительное охлаждение птицы с использованием гвдроа эр с з ольно-о охлаздения//В кн.: Эффективное использование искусственного олода при обработке ппщетах продуктов/Тез.докл. Всесоюзн. аучно-техн.конф.- I!.: ВДНХ СССР.- 1985,- с.132-133.

25. Шляховецкий В.М. Теоретические основы построения тер-

здинамических циклов газодинамических холодильных шшин//3 кн.: менсификация производстБа и применения кскусст,холодаДез. экл. Всесоюзн.научно-практ.конф.- Л.: ЛТЙХП.- 1986,- с.44-45.

26. Шляховецкий В.М. Анализ процессов эиергообмена при эрможении компонента в холодоприемншсе'газодинамической холо-ьльной машинн//В кн.: Холод.машинн и термотрайсформаторк/Меж-(гз.сб. научн.тр.- Л.: ЛТИХП.- 1986.- с.105-113.

27. Шляховецкий В.М, Гидрсаэрозольный охладитель плодов к зощей/уПищевая и перераб.пром-ть,- 1986.- Л 6,- с.2.

28. Шляховецкий В.М. Моделиране на процесите на енерго-массообмена в газодинамическе хладница//В кн.: Хладална тех-гка Н?Б^86/Реэкметз■ докл. 5-й национ.научно-практ.конф. с здународне участке.- Пловдив, Болгария.- 1986.- с,15-16.

29. Шляховецкий В.М* К оценке эффективности проведения

процесса гидроаэрозольного охлаждения плодов и овощей//В кн.: Интенсификации'процессов, повышащях эффективность применения искусст.холода/Межвуз.сб. научн.тр.- Д.: ЛТИХП,- 1987.- с.67-74.

30. Шляховецкий В.М. Моделирование процессов знерго и кзс-сообмена в газодинамической холодильной машине//В кн.: Труди 5-й i.-ацион.научно-техн.конф. "Хладилна техника НРБ-86".-Пловдив, Болгария.- 1987.- с.820-831.

31. ¿htaKowetcKy ИИ. CazodLnamcdziesKiJe chtadùt-nule massiny.- Qtnovnyle potozenije teorcc/xxi Poz-nanSKie J>ni ChtodLc г h/a. - Соп/ паи ко wo. - tecAn. -Poznan, Poêstca. -rtS7.~S.&7'i77.

32. Шляховецкий В.M. Принципы построения математических моделей расширителя.и холодоцриемнина газодинамической холодильной шшины/ТВ кн.: Повышение эффективности холод; и компрес. машщ/Межвуз.сб. нучн.тр.- Омск; изд.Омск.политехи.ин-та.-1988,- с.43-51.

33. Беззаботов Ю.С., Шляховецкий ВА, Булавинов Б.А. Исследование работы Газодинамической холодильной машины для гидроаэрозольного охлаждения птицы// Холодильная техника.-1988.- S 7.- с.27-29.

34. Шляховецкий В.М, Охлаждающие устройства со струйным течением холодного газа и теплоносителя в сельском хозяйстве и пищевой промышленности//В кн.: Совершенствование холод.техники и технологии для эффективного хранения и переработки

сельхоз.продукции/Тез.докл. Межреспубл. научно-практ.конф.-Краснодар: изд.КДНГ.- 1992.- 0.4.

Основные разработки по результатам исследований:

A.C. 5I4I69 Устройство для охлаждения жидкости.- 1976.

A.C. 688793 Охладитель жидкости.-* 1978.

A.C. 709928 Устройство для охлаждения жидкости.- 1978.

A.C. 887888 Устройство для производства мелкозернистого лада,- 1981.

A.C. 983404 Установка для охлаждения продуктов.-¡1982.

A.C. 1006877 Устройство для охлаждения жидкости,- 1883.

А»С. 1006879 Устройство для охлаждения жидкости,- 1983.

A.C. 1206579 Способ получения искусственного снега.- 1986.

A.C. I26I744 Устройство для получения порошков из расплава.- 1986.

A.C. 1386308 Устройство для отделения дисперсных частиц от высокоскоростного потока газа.- 1987.

A.C. 1576556 Аппарат для выращивания микроорганизмов.-1990.

A.C. 1636604 Сопло.- 1990.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

г - скорость звука, ¡л/с; С^ - коэффициент сопротивления частицы; )1 - расчетный коэффициент; 1)ех - потери эксертаи, Дж/с; <1- диаметр частицы, канала, м; Е -.кинетическая энергия,Дж/кг; Р -:ощадь сечения, поверхности, м^; Р - сила, кг?л/с^; доля твер-1Й фазы в жидкости; И - удельная энтальпия, Дж/кг;Л^ - коэффкци-:т подобия; К - показатель адиабаты для газа; - удельная работа, /кг; 6 - протяженность канала, поверхности, м; ГЛ ~ мэсса, кг; 1 - массовый расход, кг/с; - приводная мощность, Бт; р - давние, Па; (}0 - холодильная мощность, Вт; (?оСХ- эксергеткчеекая лодопроизводительность, Вт;удельная холодопроизводительно-ь, Дл/кг; Я - газовая постоянная, Дж/кг.К; 5* - коэффициент сжи-емостл частицы; Г - коэффициент восстановления температуры;Г -плота 'уазоЕого перехода, Д*/кг; Т - температура, К; Б - энтропия, /Ку.К; -и, — массовая концентрация, кг/кг; № - скорость, м/с; С - коэффициент теплоотдачи, ВтД^ К; ^ - коэффициент полезного йствля ; у - коэффициент влияния;^ - коэффициент воздействия; I - приведенная скорость газового потом;- теплопроводность, Ал,К; ЬС - удельная приведенная кинетическая опертая частицы, /кг; - газодинамическая функция для текущей температуры га-от его приведенной скорости; _

р а т е р и и : Вс- Био; Ей- Зйлера; РЬ/ЭД)- первый и второй пера; Но- гомохрошюсти; Кг - Корхена; £а - Лапласа; И - ;.'аха; и,- Нуссельта; Рг - Прандтля; - РеЙяольдса; \/е - Зебера; н д е к с к : г - газ; ^т - детандернСе расс!рен;:е;Э«р- дкф-зор; к - теплоноситель; щ - конденсация; кн- конечны;!; Кр -:гкческий; Н - начальный; Не- насыщенный; о - холодкльш;:;;

раздробление; рч- расчетный; й - сопло; сл - слой;см- с:,:есь; - камера смешения; о.С- окружающая среда; тр- тренде; т - тор-сение;хн- хладоноситель; хп - холодоприемнлк; <1 - раоиирение; ( - эксергеткческкй; - вариантный; £ -- протяженный; <{, -шообменный; р - давление; t - температурный; 5 - адаабатнкГ.; ' - скоростной. ///У