автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научные основы тепломассообмена в пищевых технологических процессах и аппаратах с динамическим дисперсным теплоносителем

государственный хсшггет рсзср по делам науки и 1ц, ^ высшел школы

московский ордена трудового красного знамени институт прикладной биотехнологии

На правах рукописи ПОДЕЕРЕЗСКИП АНАТОЛИИ ИВАНОВИЧ

научные основы теплшассспереноса в пищевых технологических процессах и аппаратах с динамичксш дисперсиш теплоносителем

Специальность 05.18.12. - процессы, мэшшш п агрэгати

пищевой промютлонности

05,18.14. - хранашш я холодичьная

технология пищэшк продуктов

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соисканпо ученой стопони доктора технических наук

Москва 1991

Работа выполнена с Институт топло-и пассообмана им. А .В.Л:д;ова АН БССР и в Белорусском научно-исследовательской и копструктороко-технологичоском институте мясной и молочной прокшлоаиости.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

протоссор Н .13. АНТОНИМ

- доктор технических наук профессор Э.Э.АШАСОВ

- доктор технических наук профессор И.А.БОКУН

Ведущая организация - НПО "Агрсхолодпром"

Зогц1та диссертации состоятся " /6 " /" у в I У* часов на заседании специализированного Сосем Д C33.46.0I при Московском ордена Трудового Красного Знамени института прикладной биотехнологии по адрес.у:1С9818, г. Москва, ул. Талалихина, 33.'

С диссертацией ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат рааослан " /■'•Г^ 1991г.

Учений секретарь специализированного Совета, к.т.н., доцопт

С.Г.ЮРШЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Пород агропромышленным комплексом пашой страны поставлена задача по ускоренному внедрению новейшей технологии термической обработки мяса и других пищевых продуктов, обзспочинапцен максимальную экономил сырьевых и энергетических росурсов.

Внимание научно-технической общественности долиго бить постоянно сосредоточено на соверпенствованпи существующих и создании новых технологических процессов и установок большой единичной мощности при одновременном снижении их материале- и энорго-с:-.костя.

Ускорение научно-технического прогресса поеозмЬ:эю обеопо-чпть но осуществив интенсификацию процессов топло-п мчссообмзна в создаваемых технологических аппаратах я объектах. Значительные возможности в связи с этим имеются на пути использования в технологических аппаратах динамических дисперсны* теплоносителей (ДДТ).

В поолевоонные годы в СССР и за Рубеком интенсивно разрабатывались вопросы теории и практики динамического дисперсного теплоносителя применительно к задачам цветной и черной металлургии, химической, пищевой, медицинской , строительно;':, ядерной и других отраслей промышленности. Обпирные теоретические п экспериментальные исследования в этом направлении выполнены советскими учеными: Н.З.Антошгапким, В.ГЛйнл!Т0йном, А.II.Баскаковым, Б.З.Бергом, ¡С.А.Буовпчем, Н.И.Гольпориным, Ю.П.1^'пало, З.М.Демзктьешм, С.С.Ззбродским, П.Б.Кондуковым, К. Е.!'а хор иным, Г.".!.!ннаевьп, З.П.1'лсчнкоеым, И.П.МухлепоЕНм, П.и.Разумовнм, И.А.Роговым, П.Г.Ромзиковым, М.Г.Слинько, Н.И'.Сцромлтнпкопкм, И.П.Тзгзповым, С .".Тодесом, 3.Г.Тутовой, II. А. Шаховой и многими другими. Большой вклад в создание теории пседдооэиг.сния п технологического оборудования !та этой основе сделпн зарубежными учеными: Д-::.Ботторил-лом, Ст.Диче пыл, И.Дэвпдсэном, ¿.Зснзом, Д.Кунни, О.Ллгекппилом, М.Ле^з, П.Роу, Д.Хоррисоном и другими.

Современное состояние теории и практики применения динамического дисперсного теплоносителя в качестве промежуточного до-

ста точно широко освещено в многочисленной лчтературо. Незначительное число работ посвящено использованию динамического диспар с наго теплоносителя в качестве основного. Значительные трудноот!' в разработка зысокоинтенсивных технологий и аппаратов на основе дисперсного теплоносителя связаны с отсутствием достаточных физических представлений о механизмах переноса теплоты и массы и невозможностью полностью удовлетворить требованиям теории подобия при постановке экспериментальных исследований на конкретных установках даже в сравнительно простых условиях (атмосферное давление, сроднив температуры),

Таким образом, широкому внедрению технологических процессов и аппаратов,' основанных на применения дисперсного теплоносителя в качества основного и промежуточного в промышленность, пре пятствует недостаточная изученность отдельных явлений, протекающих при использовании этого теплоносителя, а также отсутствие необходимых закономерностей и недостаточная осведомленность технической общественности о преимуществе использования динампческо го теплоносителя.

В то же время сочетание использования дисперсного теплоносителя в качесизе промежуточного и, например, низких рабочих тем ператур или высокого статического давления в аппаратах позволяет значительно интенсифицировать не толы«) процессы тепло-и массо-обмепа и устранить или ослабить некоторые недостатки этого опо-соба как технологического метода, но и значительно сократить потери продукта при холодильной обработка.

В последнее время использование динамического дисперсного теплоносителя представляется весьма перспективным для холодильной обработки мяса и мясопродуктов, сыпучих овощай и фруктов.

Создание надежных и экономичных технологий и аппаратов о использованием динамического дисперсного теплоносителя - сложная техническая задача, для выполнения которой нунэи комплексный подход к решению цалого ряда научно-тохнических проблем. В первую очоредь нужны дальнейшие исследования процессов нореносч, определяющих работу практически любого аппарата с использованием динамического дисперсного теплоносителя.

В настоящее время остро ощущается дефицит обобщенных зависимостей для шшшерпого раочота технологического оборудования

с использованием динамического дисперсного теплоносителя.

Диссертационная работа выполнялась в связи с разработкой государственных тем: "Исследование гидродинамических явлений в дисперсных системах", Гос.per. С 7306362; "Применить математическое моделирование для изучения процессов переноса в аппаратах с кипящим слоем", Гос.per. Р 76086535; "Исследование тепломассопе-реноса и гидродинамики в развитом псевдоожижеином слое при атмосферном и повышенном давлениях применительно к технологическим процессам", Гос.per. № 8I009I56; "Создать эффективные технологические аппараты для термообработки кормовых концентратов и других продуктов биологического синтеза". Гос.per. !!" 8I002I3I8.

Целью работы явилась разработка теоретических основ применения динамического дисперсного теплоносителя для интенсификации теплообмена в технологических процессах и аппаратах, разработка на этой основе высокоинтенсивных новых и усовершенствование существующих процессов и технических средств, обеспечивающих снижение потерь массы продуктов, сохранение высокого уровня их качества, сокращение цикла обработки.

Научная новизна. Новое научное направление процессов тепло-массопереноса в технологии термообработки мяса и технологических аппаратах с динамическим дисперсным теплоносителем, предложенное и развитое в диссертации, базируется на ряде научных положени:"' и разработок.

На основе систематических исследований получены новые экспериментальные данные, вскрываюque закономерности гидродинамики и механихм процессов переноса с использованием динамического дисперсного теплоносителя при нормальных и осложненных условиях /низкие температуры, однокомпонентные двух-трехфазные среды, конструктивные и режимные факторы/. Проведен теоретический анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований, получены новые обобщенные корреляции для расчета скорости минимального псевдоожижения и расширения неоднородного слоя промежуточного дисперсного теплоносителя в воздухоохладителях /теплообменниках/, а также обобщены результаты исследований теплообмена двухфазной однокомпонент-ной смеси с поверхностью. Разработаны математические модели взаимодействия воздушного потока со слоем дисперсного материала и по-

груженными теплообменными поверхностями при скоростях фильтрации достаточных для придания дисперсной среде движения. Впервые создан экспериментальный воздухоохладитель с циркулирующим промежуточны?.? теплоносителем. Раскрыт механизм переноса теплоты между поверхностью и крупнодисперсным теплоносителем при обычных и осложненных условиях.

Предложено использование кинетической энергии плоской струи воздуха с содержанием мелкодисперсного льда для создания в холодильных камерах локальных визрей с целью интенсификации внешнего теплообмена с охлаждаемым продуктом и снижения массообмена между продуктом и хладоносителем, созданы промышленные камеры с вихревой системой воздухораспределения емкостью 50 т. Определена область применения динамического дисперсного теплоносителя /ДЦТ/ в пищевой и перерабатывающей промышленности АПК. Предложен ряд новых способов получения двухфазных однокомпонентных теплоносителей, использования последних в холодильной технике и технологии. В диссертации представлен материал по теоретическому обобщению в области взаимодействия воздушного потока с движущимися дисперсными средами и теплообменными поверхностями и решена важнейшая научная проблема по разработке и созданию технологических аппаратов с динамическим • дисперсным теплоносителем, имеющих большое народнохозяйственное значение.

Практическая ценность. Разработанные и изложенные в диссертации принципы могут служить научной базой для обоснования, разработки и внедрения технологических процессов и аппаратов с динамическим дисперсным теплоносителем. .Методические принципы анализа аэродинамических систем вихревого распределения дисперсного теплоносителя в объеме камеры неограниченной длины доведены до инженерных расчетов. На этой основе созданы камеры термической обработки мяса, предложен ряд технологических способов и конструкций новых систем воздухораспределения для камер.

Методические принципы анализа гидродинамических и теплооб-менннх параметров дисперсного теплоносителя доведены до инженерных расчетов воздухоохладителей. Созданы и внедряются экспериментальные Образцы воздухоохладителей с дисперсным теплоносителем, предложен ряд новых способов получения двухфазного одно-компоненткого теплоносителя. Результаты теоретических и зкспер:;мсн

талышх выводов воплощены в "Рекомендации по проектировании га-мер замораживания и охлаздения с вихревой системой воздухорасп-ределешш и утверждены Госагропромом БССР.

Реализация работы. Результаты работы внодреяы на Слуцком, Ллобинском и других мясокомбинатах, на предприятиях п/я В - 8685, Минэнерго. Также результаты работы внедрены е учебный процесс Белорусского политехнического института по дисциплине " Тепломассообмен" в качество лекционного материала для специалистов по холодильной технике. Суммарный экономический эффект от внедрения технологического оборудования с использованием динамического дисперсного теплоносителя составляет 2,5 млн.рублей при долевом участия автора более 1,5 млн. рублей.

Новизну исследований и технических предложений подтверждают II авторских свидетельств.__'____

Результаты работы используют на предприятиях Госагропрома БССР и они внесены в план внедрения новых разработок, также их реализуют на предприятиях АПК других республик СССР.

Автор защищает:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований гидродинамики в аппаратах с динамическим дисперсным теплоносителем при нормальных и пониженных температурах, нормальных и повышенных давлениях.

2. Результаты термодинамического анализа получения двухфазной однокомпонентной смеси и обощенные теплообменные законо- • мерности при точении последней по трубам.

3. Результаты экспериментального и численного исследования образования локальных вихревых течений в объеме неограниченной ■ длины.

4. Физические представления механизма тепломассопереноса . в воздухоохладителях с промежуточным дисперсным теплоносителем, математическую модель и результаты экспериментальных исследований.

5. Результаты экспериментального и 'Численного исследования сложного теплообмена в аппаратах с использованием динамического дисперсного теплоносителя ( в псовдоожиженянх системах) под давлением и при пониженных температурах, а также зависимости для его

расчета, установленные закономерности теплообмена псевдоожикен-. ного слоя с трубными поверхностями.

6. Экспериментальные данные, характеризующие зависимость качественных характеристик мяса от метода холодильной обработки в условиях промышленного производства.

7. Новые технологические процессы холодильной обработки и аппараты с использованием динамического дисперсного теплоносителя.

Апробация работы. Содержшие отдельных разделов диссертации и основные результаты были представлены и докладывались на У1 и УП Всесоюзных совещаниях по тепло-и массообмену ( Минск, 1980, 1984); Минском Мвадународном форуме "Тепломассообмен -ШФ" (Минск, 1988); Международных конгрессах по инженерной химии, машиностроению и автоматизации в химической промышленности КИСА (Прага, ЧССР, 1981, 1984); Международных школах-семинарах: " Тепло- и маосообмен в химически реагирующих системах" (Минск, 1983); " Проблемы тепло- и массообмена в процессах горения, используемых в энергетике (Минск, 1980), Международной конференции по псевдоожикению (Хенникер, США, 1980); У Международной летней школа ЧЛоделирование тепло-и массообмзиных процессов (Бургас, Болгария, 1985); УП Национальной конференции по тепломассообмену - Н.5Т - 15-85 (Индия, 1Э85); Всесоюзной научно-практической конференции " Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте (Одосса, 1989); Всесоюзной научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технолбгии переработки продуктов кивотноводства (Минск, 1989).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, получено II авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации.Работа состой-? из общей характеристики, 6 глав, выводов и списка литературы.

Работа содержит 400 страниц машинописного текста, 25 страниц рисунков, 30 таблиц, список используемой литературы включает 301 наименование.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И СОВРЕМЕННЫХ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ

Одними из основных условий решения важнейшей социальной задачи страны - создание устойчивой продовольсвенной базы, являются рациональное использование сырьевых ресурсов, предотвращение потерь и обеспечение высокого качества сырья и продуктов питания при хранении.

Большинство пищевых продуктов являются сложными системами с высоким содержанием влаги, состав и свойства которых претерпевают существенные изменения в результате развития биохимических, микробиологических и физико-химических процессов.

Характер и интенсивность указанных процессов тлеет определяющее значение в формировании качества пищевых продуктов.

Использование искусственного холода является основным средством предотвращения или понижения скорости нежелательных изменений свойств продуктов питания.

Способы и режимные параметры холодильной обработки, технические средства их реализации должны обеспечить минимальные потери массы за счет испарения влаги и высокий уровень качества продукции с учетом предусмотренных сроков их хранения.

Охлаждение и хранене в охлажденном состоянии проводится при режимных параметрах, обеспечивающих понижение температуры объекта до нижней границы зоны, в пределах которой вода не переходит в твердую фазу.

Понижение температуры способствует торможению развития микроорганизмов, понижению скорости биохимических и'физико-хими- , ческиХ реакций. Эффективность подавления жизнедеятельности мик-кроорганизмов зависит от конечного значения температур, а также темпа теплоотвода.

При охлаждении и последующем хранении в мясе протекают биохимические процессы, обусловленные деятельностью тканевых ферментов, физико-химические реакции.

Значение развития указанных процессов определяется прежде всего их влиянием на органолептические показатели, биологическую ценность, технологические свойства объекта.

Имеющаяся информация свидетельствует о том, что на измене-

микроорганизмов и тканевых ферментов, вызывающих его порчу. Скорости ферментативных процессов при действии низких температур изменяются неодинаково. Скорость ферментативных процессов в период хранения зависит от скорости замораживания продукта.

Испарение влаги о поверхности пищевых продуктов - это простое, на первый взгляд, явление оказывается практически важным, поскольку вызывает усушку хранимого продукта. Усушка является одним из основных показателей характеризующих как качественные, так и количественные показатели холодильной обработки мяса. Поверхность продукта после усушки становится пористой, развиваются температурные ожоги, в результате чего ухудшается товарный вид. Анализ экспериментальных и теоретических данных позволил сделать вывод о том, что наибольшее влияние на механизм переноса влаги оказывают температура и скорость движения охлаждающего воздуха. Величина естественных потерь зависит также от вида и упитанности мяса. Сокращение потерь массы пищевого продукта имеет большое народнохозяйственное значение.

В промышленной практике в настоящее.время применяют следующие способы холодильной обработки и хранения мяса:

- температура в камере на I + 4°С выше точки заморзания тканевой жидкости - это охлаждение и хранение мяса;

- температура в камере на I + 2°С ниже точки замерзания тканевой жидкости - это подмораживание и хранение подмороженного мяса;

- температура в камере значительно ниже точки заморзания тканевой жидкости т- это замораживание и хранение замороженного мяса

Одна из основных задач холодильной обработки пищевых продуктов - получение обратимости процесса. Для того, чтобы управлять процессом холодильной обработки пищевого продукта, необходимо понизить воздействие искусственного холода на обратимость и необратимость объекта биологического происхождения. Физическая сущность процессов и явлений при замораживании пищевых продуктов коренным образом отличается от процессов при охлаждении. Основные отличил замораживания следующие:при замораживании вода превращается в лед, в результате чего создаются неблагоприятные осмотические условия и резко сокращается скорость биохимических .реакций в продуктах. При этом в продуктах происходят физические.

химически, гистологические и биологические изменения. При замораживании существует две фазы кристаллообразования. Первая фаза характеризуется небольшим переохлаждением (до - 4°С), после чего возникают кристаллические зародыши. На второй фазе кристаллообразования происходит рост кристаллов. Возникновение новых центров кристаллизации зависит от скорости отвода тепла во внешнюю среду. При достаточно высокой скорости отвода тепла во внешнюю среду обеспечивается пероохлаздениз мясного сока во время кристаллизации и могут образовываться новые зародыши. При отсутствии интенсивного теплообмена новые центры кристаллизации не образуются, а происходит рост кристаллов. Чтобы этого не происходило необходимо быстро осуществлять замораживание. В этом случав образуется большое количество центров кристаллизации и как следствие не происходит разрушения оболочек волокон. Таким образом, качество мяса обусловлено характером процесса кристаллообразования, который, в свою очередь, зависит от скорости замораживания. Цевт замороженного мяса также зависит от скорости замораживания. Скорость образования метмиоглобина уменьшается с понижением температуры воздуха при замораживании и хранении. При быстром замораживании мышцы имеют бледнорозовый цвет.

Коллоидно-химические и биохимические изменения связаны в первую очередь с составом мясного сока. Чем ниже температура до которой охлажден клеточный сок, тем глубже процесс расслоения коллоидной системы. Это влияет на водосвязывающую способность мяса после размораживания. Чем ниже температура, тем выше водо-связывающая способность. Часть воды, легко воспринимающаяся клеТ" кой обратно при размораживании называют свободной^ остальная-связанная. Чем интенсивнее процесс замораживания, тем меньше разрушения гидратных оболочек макромолекул и перераспределение влаги в процессе кристаллообразования, тем выше водосвязываю-• щая способность.

Наиболее значительные изменения белков происходят при медленном замораживании. Увеличение концентрации тканевого coica при замораживании ингибирует биохимические реакции, приводит к денатурации белковых структур. К денатурации при замораживании приводит разрушение кристаллической сетки частиц воды вокруг гидрофильных групп. Внешний признак денатурации - выделение мясного

потери массы за счет испарения влаги, а также отражается на устойчивости белков к действию пищеварительных ферментов, сочности и консистенции готового продукта.

Денатурация миоглобина повышает каталитическое воздействие этого белка на окислительные превращения жира. Наряду с денатурацией и агрегацией белки могут подвергаться гидролизу под действием тканевых ферментов.

Существенным фактором при оценке метода замораживания с позиций снижения усушки и сохранения качества продукции является сублимация льда из поверхностных слоев материалов. Увеличение контактной поверхности способствует развитию окисления липидной фракции и миоглобина, денатурации белков, потери летучих компонентов. Таким образом, испарение влаги приводит к негативным изменениям свойств поверхности продукта, ухудшению цвета, запаха, вкуса, сочности и консистенции продукции и мо- ■ жет отразиться на биологической ценности продукта за счет окисления жира и возможности образования белковолипидных комплексов, устойчивых к действию протеолитических ферментов.

Развитие нежелательных изменений свойств мяса зависит от условий и режимных параметров холодильного- консервирования, а также состояния сырья, поступающего на замораживание. Несом-неное преимущество имеет способ замораживания парного мяса. Применение однофазного заморагшвания позволяет сократить продолжительность процесса, уменьшить потери массы, обеспечивает более высокий уровень сохранения исходных свойств белков, способствует понижению степеш! окисления жира.

Холодильная обработка мяса в настоящее время проводится в камерах периодического демстсия или туннелях с использованием поточного метода обр£1ботки мяса. Ниже приведены некоторые последние разработки по холодильной обработке мяса, которые внедрены па холодильниках наше^ страны.

Сотрудники ВШКТ1!холодпро:;а предлоггллп способ замораживания мяса в полутушах, заключающийся в обработке мяса потоком холодного воздуха в две стадии и отличающиеся : емпературшл: режимом, а также интенсивностью отбора тепла от мясе, Для реализации этого способа необходима дополнительная производственная плогоадь. Способ внедрен на Житомирском мясокомбинате.

Разработанная Кишиневским политехническим институтом система воздухораспределения с внутрикамерной рогенерацией влаги внедрена на Калишсовичском мясокомбинате Белоруссии.

К основным недостаткам камер с внутрикамерной регенерацией влаги следует отнести повышенный цикл холодильной обработки и неравномерность охлаждения продукта.

Одесский технологический институт холодильной промышленности предложил способ стабилизации температурных режимов при холодильной обработка мяса, которую начинают производить сразу ае после поступления полутуш из ЗППС, Процесс замораживания предложено осуществлять в три операцшкпервичное охлаждение, подмораживание и замораживание. Технология осуществлена на холодильнике Тернопольского мясокомбината. Для внедрения этого способа необходимо ш.ять значительное по сравнению с описанными ранее, количество приборов охлаждения.

Сотрудниками БелНИКШЯ.Ш разработана и внедрена на Якобинском и Слуцком мясокомбинатах вихревая система воздухораспределения для камер холодильной обработки мяса. Использование вихревой системы воздухораспределения позволяет интенсифицировать процесс переноса тепла и снизить влягообмен.

Основные факторы, влияющие на продолжительность замораживания следующие:

а) форма и размеры тела. Тала с формой цилиндра и сферы с радиусом R замораживаются соответственно в 2 и 3 раза быстрее по сравнению с формой пластины толщиной 2R ;

б) коэффициент теплообмена d и коэффициент теплопроводности Я . Величина коэффициента теплообмена d зависят от метода замораживания, вида охлаждающей среды, скорости движения среды, температуры и непосредственно контакта среда - продукт;

в) перепад температуры д7 . Продолжительность замораживания является обратнопропорциональной зависимостью между перепадом температуры продукта и охлаждающей среды;

г) упаковка. Наличие упаковки продляет время заморажипа-ния.Существенное значение на термическое сопротивление оказывает плотность прилегания упаковки к продукту. ________

Выбор рациональных условий и методов замораживания пищо-п'вс продуктов дол:~ны основываться ira объективной оценке комп-. л скол показателей, позволяющих охарактеризовать тсхнологнчос- . кие, технические и экономические аспекты предложенных решений.

В теплсфюическом аспекте рациональные условия и методы замораживания можно искать в увеличении скорости замораживания или снижения продолжительности процесса термообработки. Продолжительность процесса холодильной обработки можно сократить посредством:

а/ уменьшения толщины обрабатываемого продукта; б/ понижения температуры охлавдшощей среды; в/ увеличения коэффициента теплопередачи. Современное направление в холодильной технике и технологии по интенсификации процессов холодильной обработки -увеличение коэффициента теплообмена.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, обобщение данных полученных в про^.ишленных условиях дает основание считать, что наиболее гюрспективнш направлением интенсификации теплообменных процессов при холодильной обработке пищевых продуктов является использование динамического дисперсного теплоносителя.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВДРСЩШШКИ И ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИСПЕРСНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Согласно поставленной цели экспериментальные исследования были проведены в следующих направлениях:

1) показать реальную возможность использования динамического дисперсного теплоносителя для интенсификации холодильной обработки пищевых продуктов и теплообмена в технологических аппаратах пищевой промышленности;

2) исследовать гидродинамику в аппаратах с динамическим дисперсным теплоносителем различных материалов и влияние погружения в иого модельных а реальных тол и теплообмешшх поверхностей;

3) исследовать гидродинамику воздухораспределительной решетки (перфорированной);

4) исследовать гидродинамику, тепло-и -посообмен прп различное конструкциях воздухоохлзднтелой с промежуточным тёплопо-сителом;

5) исследовать гидродинамику, тепло-и массообтап при замо-ражпяз!!':!! пи^еиых продуктов в динамическом дисперсном теплоносителе (в псоЕдоотатепком слое);

6) получить двухфазные однокомдоно нтныо я двухкомпоноит-нйа дисперсные смеси, исследовать их теплообмен о поверхностью;

7) исследовать интенсивность испарения води с поверхности.

Указанное исследования были провело ш; на лабораторных •

стендах ИТМО АН БССР и БелИИКПШП.

Основную контрольно-измерительную аппаратуру, использованную при экспериментальных исследованиях можно обобщить в следующие группы:

а) контрольно-измерительная аппаратура тепловых измерении: потенциометры, термсгигрографы, датчики температуры, термометры сопротивления, термометры ртутные и спиртовые;

б) контрольно-измерительная аппаратура для гидродинамических исследований: электронные крыльчатыэ анемометры, автоматический измеритель скорости и температуры потоков всздуха (А"СТ),компенсационный микроманометр I.1K - I, микроманометр типа МЛН - 200;

в) контрольно-измерительные приборы для измерения электрических величин:мосты для измерения омического сопротивления, ампервольтметры, ваттметр.

Наиболее оригинальным в исследовательской работе был многоточечный датчик температуры О.'ДТ). Он предназначен для исследования мея^азов'ого теплообмена в пс0вд00-н;?.0Ш10м слое при замораживании пище гад продуктов. При псевдоэн:гтанном состоянии продукта в слое изморонио температурного поля в продукта параллельно с температурой от-еяющого потека воздуха весьма затруднено и нет технических средств для этих целой. Собственная масса датчика была так подобрана, что прикроплешшй к частице продукта псевдоожиканного слоя датчик практически не изменял характера дпнхенпя частицы в слое.

D настоящей работе использованы известные и оригинальные методы исследований:

а) метод определения физико-геометрических параметров насыпного материала (продукта).

Эквивалентный диемотр частиц определялся экспериментально по методу вытеснения объема дистиллированной воды при 20°С в трубке с измерительной шкалой в мл партии частиц с их известны?,? числом, т.о. по следующей формуло

. Чарез ситовый анализ иа базе характеристик сит определялся средний диаметр частиц. Единичная масса частицы определялась по фор!,туло: Ц

2 9с

э- -Ъг- <2>

Плотность материалу р{ кг/м3) определяли по формуле:

>_ Ъ,9с I Vc

p^JZLZL. (3)

Насыпная плотность материала

у}«'*•) (4)

б) методика исслодовапия гидродинамики

При исследовании гидродинамики необходимо измерять: скорость воздушного потока.который определяют с помощью расходо-морных шайб и С/ -образного ыапомотра,тараоапаыомзтров или элект-рошю-крыльчатых анемометров»которые показывают средние скорости или скорости в определенных зонах потока; гидродинамическое сопро тивлоние слоя или отдельных элементов исследуемого оборудования, которое определяется перепадом статического давления на входе и выхода данного участка посредством микроманоматра; коэффициент местного сопротивления £ .который опрздаляется .по формуле Вейсбаха л г

ДГ- (, 2 (5)

или

Методика исследования гидродинамика динамического дисперсного теплоносителя (псевдоолшаднного слоя) сводилась к определению гидродинамического сопротивления слоя & /о* в диапазоне ско-, ростей фильтрации воздушного потока О < и< Цкр

За оценку геометрических параметров псевдогжижо'нного слоя вводят понятие относительного расширения слоя \л/ « которое определяется:

откуда

в) методика экспериментального исследования теплообмена в дисперсных средах (газ-твердые частицы)

В'работе исследован внутренний (между двумя фазами) и внешний (между псевдоожижеиным слосм и погруженным в него телом) теплообмен. Методика построена на исследовании дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности, которое является частным случаем сохранения энергии и сводится к утверждению, что изменение внутренней энергии элементарного объема тола равно количеству теплоты, которым он обменивается с остальной массой тела. Важной характеристикой процесса теплопроводности является критерий Био ( В1 ). Он представляет собой отношение внутреннего термического сопротивления теплопроводности^.к внешнему термическому сопротивлению теплоотдачи, т.и,В1~ Если Вс -»Оо, то температура поверхности исследуемого материала сразу становится равной температуре окружающей среды, ч которую он погружен. В этом случае имеет место большая интенсивность отвода тепла от поверхности и процесс охлаждения определяется только физическими свойствами и размерами тела и не зависит от условий охлаждения на поверхности. При малых Вс температура на поверхности тела мало чем отличается от температуры в центре его для любого момента времени. В этом случае скорость нагрева и охлаяиешш тела'зависят только от интенсивности теплоотдачи, а процесс выравнивания температуры'в теле происходит существенно интенсивное, чем отвод тепла с поверхности. Задача становится шеганей. Если интенсивность теплообмена тела определяется как скоростью переноса тепла внутри тела, так и скоростью переноса тепла через пограничный слой (краевая задача). !иежТязный теплообмен мелкодисперсных систем характеризу-

\л/ =

Н

Но /-£

с Н~ Н° (1-е

ь ~ н

(7)

(8)

стся значением В^ 4* 0,1 , при котором можно пренебречь внутренним температурным градиентом, т.е. можно принять,что Евсь температурный перепад между двумя фазами дисперсной систем*! сосредоточен на границе раздела фаз. Такой вид теплообмена имеется при замораживании пищевых продуктов в ДЦТ а в воздухоохладителя;:, работающих с промежуточным теплоносителем.

При замораживании плодов и овощей в псовдосжиженном слот, когда продукт является дисперсной фазой, а псевдоожиженный слой грубодисперсной системой, критерий В( находится между 0,1 и 100. Поэтому интенсивность замораживания продукта определяется как скоростью переноса тепла внутри материала, так и скоростью переноса тепла через пограничный слой, В сачзи с тем, что коэффициенты теплопроводности плодов и овощей низкие, а такие с учетом появления внутреннего источника тепла в процессе фазового перехода воды в лед, внутренним градиентом температуры пренебрегать нельзя. Наличие переменного внутреннего и внешнего температурного градиента приводит к нестационарному теплообмену. Один из основных и существенных моментов в принятой методика исследования межфазового теплообмена в грубодисперсной системе является регистрация температуры подвижной частицы и псевдоожижа-ющего воздушного потока в 'функции времени и пространства. Для решения этой проблемы и бил разработан многоточечный датчик . температуры. С помощью такого датчика и в сочетании с самопишущим электронным потенциометром были сняты показания временно-температурных кривых.

Исследование теплообмена при замораживании пищевого продукта в ДДТ облегчено, т.к. в этом случае продукт находится практически в стационарном положении. Внешний теплообмен в воздухоохладителе с промежуточным теплоносителем является нестационарным, т.е. коэффициент теплопередачи и температурный градиент являются (функциями времени. В этом случае применение закона Ньютона-Рихмана некорректно. Но в экспериментах определялся не действительный коэффициент теплообмена ,а эффективный за весь процесс Ы^р. и температурный градиент лТ определялся условно как постоянным (среднеинтегральным) за весь процесс по временно-температурным кривым, поэтому закон Ньютона-Рихмана в этом случае формально можно применять, т.е.

О^чЬр+'Г-АТ^эрц-Р^п-Т*) о)

В зависимости (9) при внешнем теплообмене вместо температуры динамической дисперсной среду глояьо подставлять температуру псеЕдоожижающего потока воздуха на выходе из слоя ( Т$я ).Основанием такой подстановки служат собственные исследования и исследования других авторов. В Гюрмуле (9) пси исследования мояфазо-вого теплообмена Тл является средне!: температурой между температурой входящего в слой и выходящего из неге потока воздуха.

Исходя из уравнений теплового баланса для воздушного потока и для охлаждения (нагревания) продукта и из закона неразрывности для теплового потом получаем следующоо выраненио для определения элективного коэффициента теплоотдачи:

Л - Ш ЯС^ АТб (10)

в» ' /4 7унт

При проведении экспериментов преимущественно связанных с измерением физических величин используют приборы, которые имеют определенный класс точности. Погрешность всякого прибора принимается равной - 0,5 от минимального деления по шелле этого прибора. Теория ошибок справедлива только для случайных огибок. Если измеряемая величина Я изменяется непрерывно, то область полученных П значений рзздоляют на некоторое количество интервалов одинаковой ширины и определяют количество измерений, попавиих в каждый из этих интервалов ). Такое частотное распре-

деление мояно представить с помэщью гистограммы. Ми всегда имеем дело с конечным числом П измерений, которые называют выборкой объемом П . Наилучшим приближением истинно:: величины является так называемое выборочное среднее значение

Для оценки точности измерения величины выбираем среднеквадратичную опибку от отдельного измерения XI и границу доверительного интервала, которая является параметром закона Гаусса для нормального распределения случайных величин. Границы доверительного интервала ЛХ определяем с поморю Т - гаспределе-

ния ли; распределения Стьюдентс ( П ). Это распределение симметрично и внешне похожо иа колоколообразную кривую нормального распределения, но ое максимум ниш. Для П=2 это распределение совпадает с распродолонпем Лоропца, а с увеличением П оно стремится к нормальному распределению. Результат измеряемой величины X« записывается ь слодуьщом вида

Хо=Х±АХ (12)

. йЖ^(П)^ (13)

Посредством математической теории случс:"шых явлений исключаются случайные ошибки, которые сопутствуют данному изморешш,

Исслсдусмые процессы и явления в настоящвЛ работе отличаются значительным количеством воздействующих факторов. Аналитическое описание этих процессов в основном сводится к выводу корреляционных 'зависимостей (преимущественно критериальны::) следующего гида:

(15)

где Ко^х .....*..... Ко ~ соответствующие критерии или -

симплексы, О- константа, ЯЬ т2.....Мп -.показатели степени. Для опрадоленияС,/^/^.в уравнении (15) используют метод А.В.Вургафта. .

3. гидродинамика в технологических аппаратах С " динамическим дисперскш теплоиоситешл при разных регшшх параметрах

При расчэте технологических аппаратов с динамическим дисперсным теплоносителем используемым в качестве промокуточного необходимо учитывать влияние гидродинамических парамотрон. В основном гидродинамическая сущность указанной диспорсной сроды сводятся к

процессу псездоокижения, когда через слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей газораспроделитолыюй пепеткз аппарата, проходит еосходязций поток ожижающего агента. Состояние зернистого материала слоя меняется с изменением скорости этого потом. При увеличении скорости ожигающего агента увеличивается высота слоя и потеря давления ожпжаго;;;его агента в нем, и при определенной скорости потеря давления становится равной силе, с ко-' торой на слой действует зомное притяжение. Расширение псевдоожи-жающего слоя (ПС) так же гак и скорость начала псевдоожл::оння чрезвычайно важные гидродинамические характеристики, которые необходимы для определения рабочей высоты слоя в аппарате и напора системы подачи.

Режимы псевдоожнжения сказывают непосредственное влиганш на процессы тепло-п масеообмена в слое. Б завпсимостт от геометрических размеров аппарата, размеров и свойств зернистого материала имеют место три режима псовдоожижения: однородный, неоднородный и поршневой. Однородный режим характеризуется таким состоянием материала, когда его частицы отделены одна от другой. На практике однородный псездоожиженный слой получают при ожижении твердых частиц капельными жидкостями или сжатыми газами. Возникновение при пссвдоожижзшт однородного или неоднородного режима связано с устойчивостью псеЕдоожиже гдых систем. На основании экспериментальных данных предполагается определение режима пепв-доожижепля значением критерия Зруда ( Ру ). В реальных условиях неравномерность распределения потока ож.г:жа::ще?о агента в значительной степени определяется конструкцией аппарата и в первую очередь газораспределлтелышм устройством. Что же касается влияния тагах режп.'.иих параметров, гак повышенное статическое давление ь аппарате или температура среды на качество псевдоожижс-ния, гидродинамику и теплообмен динамического дисперсного теплоносителя, то об этом имеется много противоречивых данных в специальной литературе. Однако, для расчета зпсокоинтенсивпого технологического аппарата с использованием для этих целей динамического дисперсного теплоносителя в условиях повышенных статических давлений п пониженных температур, необходимо знать гидродинамические корреляции.

В данной глава представлены результаты гидродинамических исследовании.

Влияние давления на скорость минимального псевдоожижения и расширение ожидаемого слоя.

Повышение давления существенно изменяет такие »физические характеристики псевдоокинающего газа, как его плотность и коэффициент кинематической вязкости, что в конечном счета сказывается на величине скорости минимального псевдоожижения и расширения слоя.

В ламинарной области обтекания, характерный для частиц малого диаметра, коэффициент сопротивления обратно пропорционален f?e (f-fíe), а плотность газа, независимо от режима, увеличивается пропорционально давлению Р . Отсюда следует J>r~f= Так 1слк коэффициент динамической вязкости практически не m'nsf-ется при повышении давления, то £/»°

К этому зыводу также можно придти, если обратиться к уравнению Эргуна, которое применительно к условиям начала лсевдоокп-кения имеет вид:

йРся-™O-bff u* .„г /-Ь pf и? (IS)

IT'150 a? d*

При исследовании мелких частиц можно ограничиться первым -членом в правой части уравнения (16), в котором, гак видно, нот переменных, зависящих от давления.

Естественно, обтекание крупных частиц происходит в режиме развитой турбулентности, когда давление будет существенно влиять на величину Ua . В соответствии с интерполяционной формулой Тодеса

п Ап

/4001-5,22YaF (17)

Соотношение скоростей началз псевдоожижения крупных частиц при двух разных давлениях Р/ и Рг определяется как

пЬА A -iza аз) Uo- v, VA г, Hfi -У л

Тагам образом, для крупных частиц ленеИная скорость начала псевдэотсижения убываот с ростом давлапия обратно пропорционально корню квадратному из отношения давлений. Что -о касается массовой скорости начала лсевдоокияенкя, то с повышением давления для мелких частиц она долина возрастать пропорционально ^ или г а для крупных - пропорционально \^"или \[Р

Результаты проведенных опытов по определению Ц9 приведены на рис. I и 2, а на рис. 3 полученные данные и данные других исследователей.

Зависимость от давления для различных фракций частиц

Зависимость ст диаметра частиц при различных давлениях

шарики 3 - шамот,

1,1 2} 3,1 V 5,1 6,1 7,1 РМП<?

1,2 - стокляшшо С/=7,05 и 3,1 мм С1 =2 мм; 4 - просо, с] =2 мм;

5 - песок, с1 =0,8 ия;

6 - стеклянные шарики,

с/=0,45 мм; 7 - песок,с/=0,25 мм; 8 -песок, с1 =0,126 мл;

Рис. I

0,3 0,5 0,7 Ц9 1,1

I -Р = 8,1 Ша; 2 - 4,1; 3 - 2,6; 4 - 1,1; Б-Р =0,1 Ша

Рис.2

На рис.4 представлены расчетные

эависимост

и Ке^(Аг)

Зависимость ох Аг ^ Расчетные зависимости Ле от Аг

Кривая рассчитана по формуле Яег(256+ 0,037Агр5-/6

I - данные автора;

2-7 данные других авторов

ГО* 10' Аг

1 - по формуле Бэ0и и Шена;

2 - (19); 3 - по формуле Саксены;

4 - по формуле Горошко и др;

Рис.3

Рис.4

Анализируя полученные результаты, следует отметить, что наибольший разброс точек наблюдается в области меньших значений . критерия Архимеда, т.е. в ламинарной и переходной облзсти течения газа. Основной причиной считается различие в порозности слоя, имевшей ко сто в момент перехода неподвижного слоя в ои". тонное состояние. Можно добавить лишь, что слои с широким гранулометрическим составом псевдоожижаются при меньших скоростях гага, чем узкие фракции с тем ;::8 средним размером частиц, вследствие снижения порозности полидиспарсного слоя.

Было установлено, что при равных условиях скорости минимального псовдоояшжбния более плотного материала быстрее приближаются к зависимости Так, например, для проса (0^=2,0 мм) максимальное отклонение от указанной зависимости составляет 16,9 %, а для шамота всаго 3,7 %.

Полученные данныо по скорости минимального псевдоожижения были обработаны в виде зависимости /?е0=Т(Аг).

Структура соотношения была взята аналогичной зависимости Вэна и Ю:

Ке0 = (256 +0,037Аг) 0,5~16

(19)

Это соотношуниз с погрешностью, не провышао'.цей 10 %, опп- • сывает полученные экспериментальное дашит".

Максимальное отклонение урагпенпя (19) от экспериментальных данных других авторов не превышает 23,5 % в области

Ю*<Аг<5-Ю9

Обработка полученных экспериментальных данных по степени растирания слоя, представленных на рис.5, дала следущую корреляцию:

Яе-вео

£ = £0*/,56 6о)

УАг

(20)

Зависимость степени расширения слоя от Ц

015 0,4? 0.05 0,1* <05 (,25 и,»/С

I -просо, с/=2 мм; 2 - стеклянные шрики, СЗ =3,1 мм; 3_ - стеклянные шарики, с/ =7,С5 мм; Г- Р= 0,1 ¡ЛТа;

II - 1,1; 14-Р =2,6 МП а

Рис.5

При расчетах аппаратов с ПС необходимо учитывать особенности гидродинамика слоя, связанные с температурным уровнем.

3 сяязн с те;,:, ч^о в расчетных зависимостях является '¿ункцией /4/", проследим влияние температуры на критерий Архпме-

да. При изменении температуры от Т/ ло

А. & (21)

Аг, ?< Щ (21)

Для воздуха и многих других газов в диапазона температур от - 40 до + ЮС0°С [.кто принять что

0,7

(22) Р Т

Тогда с учетом (22) и примерного равенства ~

получим, что /» Гг

* \Ъ

Ar, SlU/ J U,

(23)

Воспользовавшись формулой Тодеса получим:

~ АъСМО+угЩ) . teor ~ An (/400+5,22 VÄh)

Для очень мелких частиц, т.о. ламинарного режима течения

(24)

газа

~ Ar, ~\Т2/ (25)

Для крупных частиц и турбулентного режима течения

Ш-Ш'

Отношение линейных скоростей начала псевдоожижеиия при этом составит

Цог~ E^I.ül.A

Uot" Re01' f,' j>2 (27)

или с учетом (22) и (28) :

в области ламинарного режима

турбулентного

иоГ\Тг1 \т,1 (т<Г(т</

(29)

Отношение массовых. скоростей начала псевдоокимпня тогда запишется:

в области ламинарного рс;;;пма

Таким образом при псовдооЕЛхенпп мзлких частиц, когда ражим их обтекания имеет ламинарный характер, с ростом томперптурн переход слоя из не подвигли ого в псовдоог.пг.онное состояние происходит при более низких линейной и массовой скоростях газа. Когда ко псевдоокл.-кгш^ся крупные частицы, увеличение температуры обуславливает увеличение линейной, по уменьшение массовой скорости начала псевдоо:::л:::ення. 3 переходной области зависимость

тэльннми дпккпли.

При одновременном увеличении температуры и давления характер изменения скорости начала лсзЕдоог-и-ания будет несколько иным. Для-;.плких частиц Цо не зависит от давления и будет уменьшаться только с увеличением температуры согласно (28). Для крупных частиц линейная скорость начала псовдоокп;;;оппя с ростом давления будет убывать обратно пропорционально корта квадрат-нос' и? отношения давле!шй и увеличивается с ростом тег.шоратуры пропорционально корнн квадратному из отношения температур, т.е.

(30)

турбулентного

(31)

Мелкими слодует считать частицы, удовлетворяющие следующему уравнению*

которои было получено по экспериментальным данным о учетом зависимости Тодеса,. Аналогичное (33) уравнение было получено для определения нижнего размера крупных частиц:

Таким образом, мозхно констатировать, что влияние давления и температуры на скорость начала псецдоожикения полностью учитывается изменением плотности и вязкости газа в критерии Архимеда .

Учитывая, что газораспределительное устройство является одним из основных узлов воздухоохладителя с ПС от которого зависит надежная работа аппарата, были проведены экспериментальные исследования по определению сопротивления и равномерности газораспределения некоторых видов решеток в аппаратах с ПС. Анализ литературных источников и экспериментальных данных показал, что наиболее приемлемые для воздухоохладителей с ПС являются перфорированные решетки. Перфорированные решетки также чаще используются в аппаратах с ПС для проведения процессов сушки, грануляции и некоторых реакторах. Для процессов обжига, закалок, сжигания топлива и некоторых других - преобладающее использование находят колпачковыа и колосниковые рашоткц.

Было изготовлено несколько перфорированных газораспределительных решеток, которые поочередно устанавливались в экспери-мснатлышй стевд. Исследования проводились в двух режимах:, чистая решетка (без засыпки дисперсного материала), решетка с насыпным дисперсным материалом. Исследования чистой решетки были направлены на выяснение влияния конструктивных и геометрических размеров решетки на величину гидравлического сопротивления, а исследование рошетки с насыпным дисперсным материалом для определения равномерности псевдоожижения материала слоя при различных скоростях восходящего потока воздуха.

(33)

(34)

Геометрические параметры газораспределительных перфорированных решеток, использованных в экспериментальных исследованиях, отраконы в табл.I

Таблица I

Геометрические параметры перфорированных решеток

Решетка номер ■|...... ..... ! Вид отверстия i i | Располоно-; нио отвор-j стий j Дппмотр ОТЕОР-¡ стая, мм г,;........ {—иеоо сечение рацио ТКИ

> I. Круглое Шахматное 1,5 0,14

2 _ М_ 3,0 0,30

3 ' — 4,0 0,34

4 ti_ 8,0 0,34

5 _ . 6,0 0,4

ь 12,0 0,52

7 продолговатое 7,15 0,37

(2x20)

8 продолговатое _ tf_ 7,1 0,476

(3x20)

^.представляет co6oii отношение сум-к общей площади решетки

¿двое сечение решетки марной площади отверстий т.е.

Un

V=l Í/Fp

' fe, Г (35) .

Как показали экспериментальные исследования, газораспределительная решетка с одним и том же живым сечением ^ , но с разныл:' диаметром отверстий имеет разные гидродинамические характеристики, т.о. чом больше диаметр отворстий, тем мчньшо гидравлическое сопротивление, а при всех равных условиях наибольшее гидравлическое сопротивление у решетки с острыми гранями. На практике часто возникают случаи, когда сталкиваемся с противоречивыми требованиями к величине живого сечения У . Так, например, с энергетической точки зрения живое сечение доллшо быть как можно больше, а с точки зрения равноморностг распределения потока наоборот. Любая решетка с живым сечением у? имеет . определенную критическую скорость U, которая является прог

дельной скоростью потока воздуха, при которой соблюдается условие равномерного распределения профиля скоростей по всему сечению рошетки. Исследования зависимости критической скорости воздушного потока ¿/*г/>от ¡итого сечения при различишь зэсшках, когда соблюдается равномерность распределения профиля скоростей полагаемого потока воздуха по сечению над газораспределительной решеткой,.отражены на рис.6

и ко м/с

7

Зависимость

Рис.5

Кз графита следует, что с понижением рабочей скорости , для псевдоокижения определенного вида засыпкп при сохранении равномерности скоростного профиля над решеткой необходимо выбирать рейетку с меньшим живым сечением, т.е. с более высоким гидравлическим сопротивлением.

Полученные экспериментальные результаты по зависимости гидравлического -сопротивления решетки от живого сечения решетки и скорости

подаваемого потока были обработаны по методу наименьших квадратов в следующие зависимости:

лРр^Об&Ту^-С/ф (37)

Эти зависимости справедливы в пределах 6С00

и 0,15<У< 0,47, где определяющей скоростью в есть скорость в отверстии решеткп,' т.е. С/о^Уу

4. К01ЩУКТИВН0 - КОНВЕКТИВНЫЙ ■ ТЕПЛООШЕН СЛШ С ПОВЕРХНОСТЬЮ

Наличие частиц около погруженных в слой поверхностей увеличивает конЕоктивную составляющую переноса и, препятствуя образованию теплового или диффузионного пограничного слоя обычного типа, способствует подводу или отводу от них тепла и массы. Вследствие этого теплообмен ПС с погруженными е него поверхностями происходит путом совместного действия теплопроводности, обусловленной адсорбцией и переносом тепла частицами, конвекции ' газа и излучением. Стройной теории, успешно описывающей влияние различных факторов на эти процессы в их взаимосвязи, до сих пор не существует. Поэтому из сложной рассматриваемой задачи обычно ввделяется ряд частных случаев и анализируются отдельные составляющие суммарного теплообмена при допущении их аддитивности. Сопоставляя экспериментальные данные авторов с корреляциями других можно сделать вывод о том, что расхозденпо между указанными данными довольно велико. Предложенные для расчета эмпирические формулы в основном, гак признают сами авторы, не могут быть использованы для расчета при псевдоожшхении круп-

ных частиц, когда становится существенной роль конвективной составляющей. Ирактичоски отсутствуют данные по влиянию геометрии погрушз'нных в слой трубных пучков на интенсивность теплообмена с ПС крупных частиц ( С/> I мм).

Исходя из этого, основной целью проведенного исследования являлось как получение удовлетворительных пелуэмпирических кор- , реляций для расчета теплообмена ПС крупных частиц с одиночной трубой и пучками труб при атмосферном и повышенном давлениях, -так и выяснение механизма влияния давления на теплообмен в диапазоне до 8,0 Ша, построение физико-математической модели процесса теплообмена и методов июкенерного расчета.

Исследование теплообмена ПС с одиночной трубой и пучками труб при атмосферном давлении в аппарате проводились в колоннах прямоугольного сечения размером 0,6 х 0,6 м или 0,6 х 0,3 м. В слое размещались горизонтальные пучки с коридорным и шахматным расположением труб. В качестве материала использовались две фракции песта с эквивалентным диаметром 0,25 и 0,66 мм,-а

также -просо с эквивалентным диаметром 2 мм. В опытах использовалась трубы с нарушим диаметром 14 мм. Коэффициенты теплообмена между слоем и трубами определялись по стационарной методика с помощью четырех датчиков - нагревателей, одновременно являющихся трубами пучка. Электрическая мощность, расходуемая на нагрев датчиков, замерялась методом ампормотра и вольтметра, а температура поверхности датчика - нагревателя с помощью термометра• сопротивления, представляющего собой медную проволоку диаметром 0,08 мм, намотанную виток к витку на покрытый клеем участок поверхности трубн-датчика. Температура ПС измерялась с помощью : стандартного термометра сопротивления. В отличие от исследова- : ния при атмосферном давлении, исследования закономерностей теплообмена при высоких давлениях проводились на сравнительно небольшой ус.тановко. Аппарат, в котором осуществлялось псевдоожижение, представлял собой цилиндрическую коленну с внутренним диомотром 105 мм и высотой рабочей зоны 0,45 м. Расход воздуха измерялся расходоморной шайбой. Давление в аппарате измерялось образцовым манометром. При выборе методики измерения коэффициентов теплообмена между трубой п ПС предпочтение было отдано электрической схомо с датчиком-нагревателем как наиболее простой и точней.

Измерения коэффициентов теплообмена проводились датчиками диаметром 13 и 18 км, а для выяснения влияния диаметра датчика на коэффициент теплообмена попользовались дополнительно датчики диаметром 7,8 ил и 32 мм.

На рис. 7 отражено влияние давления и скорости фильтрации газа на коэффициент теплообмена при псевдоожнжешш песка фракционного состава 0,1 1- 0,16 мм и 1,0 * Г,5 мм.в диапазоне давлений от 0,1 до 8,1 5/ЕПа. Кривые для песка 0,1 * 0,16 мм имеют явно вы-ражешшй максимум и отличаются сравнительно узко!: областью оптимальных значений скорости фильтрации газа. Кривым песга 1,0 + 1,5 мм свойственно четко выраженного максимума, нисходящая ветвь очень пологак область оптимальных, с точки зрения теплообмена, значений скорости фильтации весьма широка.

Как видно из рис.8, влияние давления тем существенной, чем больше диаметр частиц псовдоомижонного материала, так

Зависимость (X от С/ ащм'.'с

СЬаах, Зт/п1- "С

1300

300

Зависимость С( от Р

500

А----4

I ' | ' * 1

* <{? О,*!,$ и,ф 100

Рис.'7

например, увеличение давления от 1,1 до 8,1 МЛа обусловило повышение максимальных коэффициентов теплообмена для частиц песка эквивалентным диаметром 0,126 мм в 1,20 раза, диаметром 1,22 мм-в 2,1 раза, з для стеклянных шариков диаметром 3,1 мм - в 2,4 раза.

Полученные экспериментальные данные были обработаны в виде зависимости , которая с погрешностью не превышающей 10 %, в области 5 .104</4^<5 . Ю9 описалась соотношением

Ми0,064 А г0,4

(зе)

Обработав экспериментальные данные для восходящей ветви кривой была получена зависимость

N(¿=037 КеРг

(39)

в пределах 20<^<5»103

Степень влияния диаметра тегыообменной поверхности на ве-лечину получено соотношением

. Л

Л/„ - гитах___

(4П)

В (формула (40) Ни т0% максимальный критерий Нуссельта для дпа.'.штра труб, начиная с которого он становится автомодельным, т.е. согласно полученным данным 18 мм.

Высокое значение конвективной составляющей теплообмена, характер обобщающих корреляций [Нц^(йе)0,7* , полученных при анализе псевдоожижанных систем, а также, характер обтекания шаров, описанный в монографии Аэроза и Тодеса, дает • основание полагать, что при /?€> 100 процесс происходит при турбулентном точении газа с высокой степенью турбулентности. При этом частицы псовдоошиченного материала, находящиеся у тапяооб-манпой поверхности, играют роль турбулизаторов. На база выше- ■ изложенного, можно предложить следующую модель теплообмена псев-доозэдженпого слог крупных частиц, в том числе и под давлением, с поверхностью. Исходной посылкой ее служит рассмотрение общего коэффициента теплообмена как состоящего из двух составляющих:* конвекшвной (1шв, отражающей перенос тепла от поверхности движущимся потоком газа (или наоборот) и кондуктивной (1коиЭ , учитывающей распространение тепла к частицам теплопроводностью через пленку газа.

Для упрощения аналитического описания задачи считаом:

1) распределение частиц у теплообменной поверхности в процессе псевдоожижения квазистационарно, а расстояние /, манду частицами одного ряда и между рядами их оценивается приближенно как среднее, определяемое парозностью в зависимости от скорости фильтрации газа;

2) температура поверхности теплообмена постоянна как по высоте, так и во времени;

3) томпература ядра слоя также постоянна в процессо псевдо-ожижнния;

4) температурный перепад между поверхностью и ядром слоя сосредоточен, в осноеном, на первом от поверхности рядо частиц;

5) перенос тепла обеими составляющими теплообмена происходит параллельно;

6) теплофпзические свойства газа ) постоянны

Конвективная составляющая теплообмена. Как и в моделях

Адамса и Ловеншпиля, мы полагаем, что «формирование пограничного слоя у поверхности происходит после каждой частицы заново.

Однако, в отлично от них я других авторов, средний коэффициент теплообмена определяем по аналогии со случаем точония вдоль -пластины при турбулентном пограничном слое, т.о. по уравнению

(41)

где - средняя длина пути газа мезду очередными пр&пятотвиями-частицами, которая в результате прообразований получается рапной

(42)

- Исходя из того, что для плотной срторсмбической укладки £^=0,395, выражение (41) в развернутом виде предстанет как

Numi-CoKe rt -J<Ü— (43)

Сс я?

Коэффициент С в выражении (41) и Сс в (-13) имеют универсальный характер. В уравнении (43) вместо £ использована fem порозность у теплообмонной поверхности, а вместо условной скорости фильтрации газа U - действительная , что точнее отражает реальную картину. ^^

Кондуктивная составляющая теплообмена. При псездоожикении крупных частиц кондуктивный теплообмен составляет лишь небольшую часть от общего, поэтому для расчета (А&нЭ желательно иметь выражение пусть менее точное, но достаточно простое. В псевдоожи-женном слое крупных частиц практически обоснованно полагать, что температурный перепад между поверхностью теплообмена и ядром слоя сосредоточено в основном на нереом от поверхности ряда частиц. Считаем, что от поверхности к частице тепло передается теплопроводностью через газовую линзу, образованную поверхностью тэп-лообмена и частицы и условно ограниченную цилиндрической поверхностью диаметром с!ц, а газовую прослойку - б виде диска того же ! диаметрами по объему равному линзе. Рассматриваем задачу по прогре- ' ьу пакета из двух пластин (газ и частица) толщиной О и R-с/ц , имеющих одинаковую начальную температуру £0. Поверхность одной стороны пакета мгновенно приобретает температуру Um, которая затем поддерживается постоянной. Температура противоположной

стороны пакета постоянна в процессе прогрева и равна начальной температуре пакета. Приняв (о за начало отсчета, т.е. введя температуры поверхностей пакета 1яях~

получим задачу в постановке аналогичную задаче в "Теории теплопроводности" А.Б.Лыкова (1252 г.,стр.2В8-290), которая записывается слэ,пущим образом:

Краевые условия:

Ш-ТЬо- * М,(0}Т)

и> Ы 37" д*

Решя эту задачу, в итого получаом

№^8,95(1-е)2/г (45)

Суммарный кондуктивно-конвективный топлообмец Исходя из вышеизложииного, для расчета коэффициентов кондуктивно-конвек-тивного теплообмена ПС крупных частиц с поверхностью получается следующая зависимость:

к г. абб7

в которой коэффициент Со должен быть определен экспериментально; При этом можно воспользоваться, соотношением для расчета пороз-ности у таплообменной поверхности трубы в момент начала псевдо-ожижеиного слоя ,

р — С -4

сп? Со-/----ГГ---(47)

1

где с =0,3525 в соответствии с условиями экспериментов. В результате регрессионного анализа, использовав экспериментальные данные'по теплообмену ПС стеклянных шариков диаметром 3,0 3,2 мм с поверхностью вертикального датчика, а также соотношение (46) и (47), было найдено, что С? =0,142

Следовательно, расчетная (формула для определения й( при

различных температурах примет вид

В случав свободного псегдоо;гл;::о1шя, для определения пороз-ностя следует пользоваться формулой (20).

Значения постоянной ' £^=0,142 получено в экспериментах с теплообмошшпи трубами диамотром 13 мм, поэтому при использовании (48) в других условиях молю рекомендовать следующую поправочную корреляционную зависимости, полученную эмпирическим путем

(49)

Сравнение результатов расчета с полученными в работе экспериментальными данными и данными других и сс ледова те лай показывает, что предложенная модель и расчетное уравнение (43) не только правильно отражают характер зависимости Nu от /<? и бет но и удовлетворительно количественно описывает экспериментальные данные в широком диапазопо изменения физических ч режимных параметров слоя.

Из уравнения (48) бычи получены оптимальные значения скоростей фильтрации газа. В работе сопоставление расчетных и эк, сперимснтал^ных данных по теплообмену IIC крупных частиц приводится впервые, т.к. в литературных лоточниках оно отсутствует.

5. ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИСПЕРСНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАГАТАХ

Учитывая то, что несмотря на применение новых способов холодильной обработки уделыше энергозатраты и усушка еще значительны, в работа уделено большое внимание исследованиям для совершенствования техники и технологии холодильной обработки пищевых продуктов с использованием в качестве интенспфикаторов динамические дисперсные теплоносители.

Одной из актуальных проблем холодильной техники является поиск теплоносителей, обладающих высокими удельными характеристиками по количеству переносимого тепла. Использование двухфаз-

них однокомпонентных теплоносителей - паи боле о перспективное ; 'направление в холодильной техника и технологии. Здесь дополни- ' тельным резервом в поглощении тепла является фазовый переход манду твордой и жидкой фазами. .':

. Исходя из анализа существующих методов охлаждения и замо-;; ражшашш жидкостей и в соответствии с планируемым направлением исследований двухфазной дисперсной системы был разработан и собран экспериментальный стецд. В стенде реализованы новые методы получения двух-трехфазных одпокомпонентньк систем откачкой паров до давлония в тройной точке и палокошш ультразвуковых колебаний, а также путем намераг.иванля твордой (фазы на охлаждаемо:! поверхности и дробления ее с помощью ультразвуковой кавитации, возбуждаемой в жидкости.

В плане решения вопроса о термодинамической и механической устойчивости этого дисперсного теплоносителя выполнены якспери-мектальные работы по теплообмену системы вода-лед при наложении внешних массовых сил и движения в трубопроводах.. Систематические теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло-массопереносз в двух пли трехфазных однокомпонентных средах до настоящего вромони не проводились. Применительно к трехфазной дисперсной ерзде условием ее равновосия, при постоянной температуре и давлении является минимальность термодинамического потан-циала.что означает неотрицательность приращения его при смещении из .состояния равновесия. Длл однородной системы последнео может быть выражено в видо:

где Ф ~ термодинамический потончиал; ¿У - внутренняя энергия; Т - температура; в - энтропия; Р- давление; V - объем.

Распространяя (50) на неоднородную трехфазную систему с потенциалом Ф= <р(Т'1 Р'^!,^Мз)> получим условия существования равновесия одновременно есзх трех фаз:

. Л (Ро, Т.) =/2 (Ро, То) у, (Ро, То) ^

где А/.-/^^) - химически;! потенциал,//? - количество моле;1.

Находя из (51) зависимости для глдкой, газообраз-

ной и твердой (фаз в случае, когда известии в явном виде зависимости моаго определить ту область параметров То Ре в которой существует равновесная трехфазная система. Эта система может существовать лишь при определенных значениях Ц л Те Что же касается концентрации С твордой фазы в системе, то ее значение тоже можот быть произвольным. Существует нокотороо значение концентрации С твердой фазы, при котором в дисперсной системе, представляющей собой взвоиелнне в жидкой (фазе частицы твердой (рази, начнутся процессы коагуляции и произойдет разделение всей системы на жидкую, твердую и газообразную составляющие. В случае отклонения состояния трехфазной дисперсной системы от равновесия,изменением температуры либо давления на некоторую величину в системе начнутся процессы, стремящиеся вернуть ее в исходное состояние, т.е. будет происходить превращение твердей (фазы в жидкую, либо обратный процесс.

Использование испарительного охлавдепия для замораживания жидкости связано с определением интенсивности испарения, необходимой для расчета динамики замораживания, в также выбора откачивающих устройств. Скорость образования трехфазной дисперсной системы определяется интенсивностью испарения с поверхности жидкости. Для исследования интенсивности пепагелия от параметров состояния була разработана специальная методика заключающаяся в следующем. Исходную емкость заполняют исследуемой жидкостью. Затем вакуумируют приемную емкость. Далее через десублиматор расположенный в приемной емкости прокачивают жидкий азот, сбрасывая его пары в атмосферу, контролируя давление в приемной емкости вакууматром. Температуру панели десублиматора измеряют термопарой. После установления в приемной емкости давления равного давлению паров жидкости в тройной точке,перекачивают парогазовую смесь из исходной емкости. При этом водяные пары десуб-лимируют на панели десублиматора, а неконденсирующийся газ удаляется из приемной емкости с помощью вакуумного насоса. По истечение некоторого времени *С" перекрывают емкости и через де сублиматор от калорифера протачивают горячий воздух, в результате чего происходит испарение о поверхности десублимировавших паров жидкости.По результатам измерений давления и температуры в про-

Чёсов десублчмацип и после испарения десублимата определяют '■'■. интенсивность з'спаронля жидкости по соот:юшоиию

^ тп\ъ~ъ]> ^ vт (52) :

1 Описанная методика была приманена для экспериментального"^' исследования по определению интенсивности испарения. Результаты., отражены в табл. 2 ;

Таблица 2 Путем обобщения эксперимен-

тальных данных по теплообмен;' жидкости с поверхностью получоны следующие соотнот щенпя:

- для однофазного потока

- для двухфазного потока вода-лед при концентрации

Интенсивность испарения, г/м2.С ¡Давление в {испарения, ! н/м2 каморе Р ,

62 187

15,17 , 230

10,71 273

9,81 340

твердой фазы до 20

Ш=0,095й?% <54)

- для двухфазного потока вода-лед при концентрации твердой фазы до 30 % р 0 25"

(55)

Динамический дисперсный теплоноситель с целью интенсификации теплообкенных процессов может использоваться в следующих направлениях:

1) замораживание сыпучих пищевых продуктов;

2) замора:г.иЕлш]о пищевых продуктов с использованием провожу точного теплоносителя;

3) интенсификация теплообмена л воздухоохладителях;

4 )ш;тснснфш:ац!1Я теплообмена с использованием дпспорсного теплоносителя в замерах термической обработз-: мяса;

5) использование дисперсного теплоносителя в качество промежуточного

Для создания дисперсной сроды из воздуха и пылевидных частиц льда предложен воздухоохладитель с псевдоожижешшм слоем, а также приближенная модель для расчета процесса охлаждения воздуха, конденсации влаги и образования иная в отом воздухоохладителе.

Для составления дифференциального уравнения, описывающего теплообмен в ячейке воздухоохладителя с ПС, представим отдельные процессы в безразмерной форме.

Перенос теплоты оф1юктивной дифрузиой твердых частиц по пространству ПС для единицы ого объема:

Тепловыделения при фазовых перепадах: •

Тепловыделения при охлаждении единицы объема воздуха в ячейке воздухоохладителя:

РгСгЦ Щ-Нсл'Ть

Перенор теплоты в единице объема ПС:

о{-атр(в-етр)Тех (59)

Теплопритоки через теплоизоляцию в ячейке воздухоохладителя незначительны.

Таким образом, дифференциальное уравнение, описывающее распределение температуры по высоте ячойки воздухоохладителя, будет иметь вид:

(57)

(58)

(П+фНдМ ММ«

. в1 </г в1 ]

1+0М-0

(60)

Оно решается с обычными краевыми условиями:

которые выражают заданную температуру на Еходе в ПС, в частности, в -0 под f=0 и постоянство температуры при Í =1, т;о.

<te/(/i=o

Существует и другая возможность создания динамической ди-сперснол среды как теплоносителя в рабочем объема камеры охлаждения на подвесных путях. Это организация^ объеме камеры вихревых потоков. В результате создания вихревых потоков, разноэн-тальпийные встречные вихри при смешении образуют общий поток увлажненного но только до насыщенного, но и даже перенасыщенного состояния, т.е. в объеме выделяется влага в виде мелкодисперсной воды или пыли льда. Организация вихрового воздухораопределения в кгмора неограниченной длины с содержанием на подвесных путях почутуш является сложной аэродинамической задачей.

Современный уровень развития численных методов, мощность и быстродействие серийных 33,! позволяют сделать вывод, что почти для любой практической задачи можно составить математическую модель и провести оо численное решение.

Для создания камер с вихровой системой воздухораспределе-ния были проведены численные расчеты полей скорости я давления в камере неограниченной длины.

Система исходных дифференциальных уравнений, описывающих поля скорости и давления в прямоугольной системе координат имоот вид: Зи, ... Зи, . аи, _ { дЩ

¿H+¿/M+i/dv<~ 1 дР' л-Mf^u 1

Щ —р ^ + щс)

W + дТ°

(61)

Разработан алгоритм, численная процедура и программа расчета, позволяющие моделировать на ЭП.1 динамику воздушных потоков в каморе в зависимости от организации вдуьа и отсоса при различном расположении как самих замораживаемых рядов, таг. и порегородок отбойных цптов, а также с учетом проницаемости рядов-препятствий (полутуш).

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, КЖСТРУКТИВНШ РЕШЕНИЯ и ВНЕДРЕНИЕ ХОЛОДИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ И АППАРАТОВ, РАБОТАЮЩИХ С ДИНАМИЧЕСКИМ ДИСПЕРСНШ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Проводенные исследования, направленные па практическое использование динамичоского дисперсного теплоносителя в области холодильной техники и технологии, обобщены и показаны в табл.3

Таблица 3

Области применения динамического дисперсного теплоносителя в холодильной тохнике и технологии

Примечание: Области, в которых автор работал

х - экспериментальные исследования хх - конструкторские разработки па лабораторные образцы ххх - г.снструкторскио разработки на промы'гчсшша образцы

В настоящее время существенным недостатком воех существующих систем холодильной обработки мяса в каморах на подвесных путях является относительно низкий коэффициент теплообмена между холодопоситолем и продуктом. Предложена камора замораживания с вихревой системой воздухораспроделония, в которой создаются вихревые течения в области размещения полутуш мяса на подвесных путях. В рабочем объеме камеры происходит смешение разноэнталь-пийных потоков охлаждающего воздуха, в результате чего в нем образуется динамический дисперсный теплоноситель. Первая промышленная камера замораживания емкостью 50 т была создана в 1989 году на Жлобинском. мясокомбинате Белорусской СОР. Максимальная ■ усушка по говядина первой категории составила 1,5 %, цикл термической обработки составил 24 часа.

Экспериментальные исследования показали, что для быстрого охлаждения мяса при минимальных его потерях с использованием вихревой системы воздухораспределения необходима отрицательная температура в течение всего цикла термообработки. Камора с вих-• ревой системой воздухораспределения для охлаждения мяоа создана на Слуцком мясокомбинате в 1990 году.

Камера для холодильной обработки мясных полутуш со смешанной системой воздухораспределения начала работать на Жлобинском мясокомбинате в 1989 году. Процесс холодильной обработки в этой камере осуществляют следующим образом: Перод загрузкой в каморе создают температуру необходимую по технологической.инструкции запуском вентиляторов с помощью электродвигателей, находящихся ■ за пределами камеры. Вентиляторы засасывают воздух из камеры,который по воздухозаборным каналам через воздухоохладители попадает в воздухораспределители со щелями и направляется касательно к нижней плоскости воздухораспределителя, в результате чего здесь создается пониженное давление. Из грузового объома каморы, загруженного полутутами, за счет конвекции и перепада давлений отепленный и увлажненный поток воздуха направляется вверх к воздухораспределителям со щелями, где происходит смешонно потоков^ В результата суммарный поток становится перенасыщенным. Визуально это выглядит как туман при низких температурах в смешанном потоке, В конце воздухораспределителя смешанный поток опускается вниз и направляется вдоль пола каморы к всасывающему окну вентилятора. Попав в вентилятор, смешанный поток по лоздухозпборному

каналу поднимается вверх и частично через регулирующие заслонки попадает в дополнительные воздухораспределители, из которых через сопла отдельными струями направляется вниз, омывая полутушп. Остальная часть охлаждается и цикл повторяется. Дополнительные воздухоохладители на начальном и конечном участках установлены на длине не более одного пролета. В зонах загрузки и выгрузки за счет больших скоростей через сопла дополнительных воздухораспределителей создается пониженное давление,и, как следствие, возникает дополнительное горизонтальное точение воздуха в объеме камеры. Организация в зоне загрузки и Еыгрузки интенсивного движения воздуха создает защиту от теплопритоков со стороны загрузки выгрузки.

Следует заметить, что внутренний теплообмен в полутуте определяется теплопроводностью продукта, величина которой до момента фазового перехода изменяется незначительно. В то же время влагоперенос во многом зависит от структуры поверхности и при появлении "корочки подсыхания" резко снижается, так как резко возрастает коэффициент сопротивления испарению. При интенсивных методах термообработки начальная температура охлавдающего воздуха играет значительную роль по усушке.

Применяемые в промышленности воздухоохладители имеют большой недостаток. Охлаждение влажного воздуха сопровождается выпадением избыточной влаги на поверхности в виде инея, слой которого, постепенно нарастая, ухудшает теплопередачу, снижает производительность, увеличивает аэродинамическое сопротивление. Работа воздухоохладителя приобретает циклический характер с чередованием периодов охлаждения воздуха и периодов оттаивания инея с теплоотводящей повэрхностл, увеличиваются затраты энергии на выработку холода,'

Наиболее перспективным способом предотвращения инееобразо-вания и обеспечения непрерывной работы воздухоохладителя с номинальной производительностью является способ с использованием промежуточного дисперсного теплоносителя, являющегося динамической дисперсной средо!!. Использование динамических дисперсных сред в качестве промежуточного теплоносителя позволяет по только родить основную задачу - предотвратить инееобразованке на теплоотяодящих поверхностях, но та:сже интенсифицировать процесс

теплообмена в аппарате и получить холодоноситель состоящий из движущегося потока насыщенного влагой воздуха совместно с мелкодисперсным составом льда, который сдирается с теплообменных поверхностей,т.е. получить динамический дисперсный теплоноситель.

После проведения лабораторных исследований и констатации, что динамическая дисперсная среда (теплоноситель) может быть использована как метод интенсификации процессов внешнего теплообмена в воздухоохладителях, лабораторией теплообменных процессов и аппаратов БвлНИКПШП была разработана конструкторская документация на четыре образца воздухоохладителей.

ПостаментньШ воздухоохладитель был испытан на заводском стенде Городокского ремзавода. Цель испытаний воздухоохладителей с динамической дисперсной средой связана с исследованием надежности в работе, гидродинамики, теплообмена, механизма,иное-образования.

Во вромя исследований измеряли следующие величины: Нэл , кВт - потребляемую мощность от электродвигателя вентилятора посредством ВАТТмстра;

Т, 71 Т 'С - соответственно температуру воздушного по) «/

тога на входе в вентилятор, па входе и выходе воздухоохладителя.

Примерная ломаная линия изменения температуры по воздушному тракту воздухоохладителя показана на рис. 9

Схема измонония температуры воздушного потока по тракту

точка I - на входе в вентилятор; точка 2 - на входе в воздухоохладитель;

точка 3 - на выходе из воздухоохладителя;

Л Т - температурный градиент от сжатия воздуха вентилятором; ЛГйТ- поло зное и общее понижение температуры в воздухоохладителе

Рис.9

^ Общая (брутто) холодопроизводительность воздухоохладителя «о,Вт определяется из основного уравнения теплового баланса по воздушному потоку

где 0о - теплоприток от работы вентилятора, Вт;

Оо - полезная холодопроизводительность воздухоохладителя, Вт;

Д" - коэффициент теплообмена, Вт/г/*• К отнесенный к внешней теплообманной поверхности воздухоохладителя определяем из выражения: __

где ¡Ъ - внешняя теплосбменная поверхность воздухоохладителя, м^;

&Т(П - средний логарифмический перепад температуры в воздухоохладителе, К

Ù

(Ъ-%) (64)

(r3-Z.)

Для оценки энергетической эффективности воздухоохладителя используем коэффициент эффективности ft :

Ql 1

-4- (65)

w

Результаты сопоставления воздухоохладителей с промежуточным дисперсным теплоносителем ВОГГ со стандартным воздухоохладито-лом В0Г-250 приведены в табл.4

Таблица 4

Сопоставление воздухоохладителей БОГГ и В0Г-250

Характеристика j ВОГТ _I

В0Г-25О

Холодопроизводительность, кВт ■ 27 27

Отношение холодопроизводительности к 2,25 3,375 потребляемой мощности вентилятора, кВт/кВт

Отношение объема аппарата к холодопроаз- о,09 0,12

п * »

водительности, м /кВт

Отношение теплоотводящей поверхности к 1,185. 9,26 холодопроизводительности, м^/кВт

Как видно из таблицы, воздухоохладитель с динамическим дисперсным теплоносителем проигрывает стандартному только в одном показателе - тепловой эффективности. Однако, при этом обеспечивается возможность работы воздухоохладителя с динамическим дисперсным теплоносителем при неизменных холодопроизводительности и сопротивлении по воздуху.

В заключении следует отметить, что сравнителыше комплексные всслздо££Ш1я характеристик мяса при замораживании в камерах о вихревой системой воздухораспроделения и системой с внутрика-мерной регенорацией влаги показали, что замороженное мяоо в камерах с вихревой системой воздухораспределения характеризуется ' поЕЫшешшми показателями качества.

основные выводы и рекшевдации

Выполненный комплекс экспериментальных и теоретических исследований служит научной основой для создания и внедрения в производство технологических процессов и аппаратов с динамическим дисперсным теплоносителем и решает важную народнохозяйственную проблему повышения эффективности холодильной обработки пищевых продуктов, обеспечивающих снижение потерь и сохранение качества, а также проблему интенсификации теплообменных процессов.

1. Предложен динамический дисперсный теплоноситель /ДЦТ/. Экспериментально подтверждена перспективность его использования для интенсификации теплообмёна в технологических процессах к аппаратах. Теория и практика холодильных процессов и аппаратов, работающих с ДЦТ, формирует новое напраление в холодильной • технике, технологии для пищевой и перерабатывающей промышленности.

2. Предложен способ и устройство получения гранулированного льда для холодильных технологических процессов и льдоводяной смеси для использования в качестве теплоносителя. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование по определению коэффициентов теплообмена ДЦТ с поверхностью в области температур фазового перехода.

3. Гидродинамические и переносные процессы при холодильной обработке пищевых продуктов в ДДТ и в холодильных аппаратах, работающих на этих принципах, существенно отличаются от процессов, протекающих в псевдоожиженных системах при повышенных температурах. Проведено систематическое исследование гидродинамики в аппаратах с динамическим дисперсным теплоносителем /с псевдоожижен-ным слоем/ при статических давлениях до 8,1 ¡.'Па.

4. На основании полученных экспериментальных данных предложены простые корреляционные зависимости для расчета скорости минимального псевдоожижения и расширения псевдоожияенного слоя

в широком диапазоне изменения режимных параметров слоя и физических свойств псевдоожижающей среды.

5. Предложены зависимости для определения сопротивления газораспределительной решетки от геометрии и живого сечения в зависимости от скорости фильтрации воздуха.

6. Получены экспериментальные данные по теплообмену псевдо-ожиженного слоя крупных частиц с поверхностями при давлениях до 8,1 >'Па. Предложена физическая модель этого процесса и полуэмпирические зависимости для его расчета. На основе обобщения экс-пери?.юнталь них роультатов предложены эмпирические уравнения для определения максимальных коэффициентов коццуктивно-конвективно-го теплообмена. Установлена зависимость коэффициентов кондук-т.чвно-конпективного теплообмена медцу динамическим дисперсным теплоносителем и погруженной в него трубой от диаметра последней. ;Ч'ио соотношение для введения поправочного коэффициента,

справедливого в диапазоне давлений до 8,1 .МПа.

Получены новые систематические данные по замораживанию "сыпучих" пищевых продуктов в динамическом дисперсном теплоносителе, ДЦТ является как сам пищевой продукт, так и промежуточный теплоноситель, которые обобщены в критериальные зависимости. Определена граница использования каждого из способов замораживания.

8. На основе представления псевдоожиженного слоя однофазной гомогенной средой разработана математическая модель процессов тепломассопереноса в воздухоохладителе с динамическим дисперсным теплоносителем. Выполнены расчеты полей температуры и концентрации водяного пара в указанном воздухоохладителе.

9. Определены качественные характеристики мяса при использовании метода замораживания мясных полутуш с помощью вихревой системы воздухораспределения, Установлено определяющее значение температуры охлаждающего воздуха в отношении потерь массы мяса. Быстрое охлаждение мясных полутуш в камерах с вихревой системой воздухораспределения требует в начальный период отрицательные температуры в камере, причем не выше минус 5°С.

10. Предложен рад конструкций технологических установок с • I • динамическим дисперсным теплоносителем. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами на устройства и. способы.

11. В практику ряда предприятий Белоруссии /¡Хяобинский, Слуцкий мясокомбинаты и др./ внедрены предложенные на основе выполненных исследований холодильные камеры и воздухоохладитель с использованием динамического дисперсного теплоносителя.

Таким образом на основании выполненных исследований осуществлено теоретическое обобщение взаимодействия динамического дисперсного теплоносителя с поверхностью, разработана теория тепломассообмена пищевого продукта с динамическим дисперсным теплоносителем и решена важная научная проблема по разработке и созданию высокоинтенсивных технологических процессов и аппаратов, имеющих большое народнохозяйственное значение, направленное на экономию материальных и энергетических ресурсов и охрану окружающей среды.

Основное содержание диссертации опубликовано в трудах:

1. Ганжа В.Л., Подберезский А.И. О некоторых характеристиках псевдоожиженного слоя под давлением //Гепло-и массопере-нос: исследования и разработки.-{Линск:Ш1Л0 АН БССР,1981,-

С.27-31.

2. Бородуля В.А., Ганжа В.Л., Подберезский А.И. Влияние давления в аппарате на максимальную скорость псевдоожижения //Исследование процессов переноса в дисперсных системах.-Минск, 1281. - С.24-34,- (Сб.науч. тр./ ИТМО АН БССР).

3. Подберезский Л.И., Ледник Л.И. Технологическое холодильное оборудование // Холодильная техника. - 1989. - JS 12.-'

С. 52-55.

4. Подберезский А.И.Впхревая система воздухораспределения в камере однофазного замораживания мяса //Холодильная техника.-1990. - ff I. - С.13-15.

5. Подберезский А.И. Морозильная камера с вихревой системой воздухораспределения. Научно-практический опыт в агропромышленном производстве // ВАСХНИЛ.- 1989. - № 113

6. A.C. I4832II СССР. Способ получения ледяной шуги /А.И.Подберозский (СССР), 1989.

7. Подберезский А.И., Дуравский Г.И. Теплообмен при течении льдоводяной. смеси //Холодильная техника. - 1989. - К 3. -С.29-31.

8. Пол.реш. по заявке !Ь 4833669. Воздухоохладитель с псев-доожинешшм слоем и разноэнтальпийными потока™ воздуха /А.ИЛодберезский.

9. Бородуля В.А., Ганжа В.Л., Подберезский А.И. Теплообмен псевдоожиженного слоя в аппарате под давлением //Тепломас-сообмеп-У1.- Минск, i960. - Т. У1, ч; I. -С. 62-69. - (Сб. науч. тр./lnUO АН БССР.

10. Подберезский А.И. Совершенствование холодильной технологии и оборудования в СССР и за рубежом. - Минск:БодГОШТИ, 1990. - 32 с.

11. Бородуля В.А,, Ганжа В.Л., Подберезский А.И. Теплообмен в пседдоожиженном слое под давлением //Тепло-и мяссопе-ренос:флзЕчсскпо основы и методы, - Минск, 1979. - С.28-31.-

(Науч. тр./ ШМО АН БССР). • •

12. Бородуля В.А., Ганяа В.Л., Подбврезский А.И. Теплообмен полидисперсного слоя, псевдоожижанного в аппарата под давлением // Тепло-и массоперенос: экопаримантальныз и теоретические исследования. - Минск, 1980. С. 16-18. - (Науч. тр./ ИТМО АН.БССР).

13. Бородуля В.А., Подборезский А.И. Теплообмон псевдоожижанного слоя с поверхностью при повышенных давлениях //Химическая технология. - 1985. - J& 5. - С. 41-44.

14. Шестаков Н.С., Добряков Т.О., Тараконовский A.A., Подбврезский А.И,, Николаев А.И., Черненков И.И. Конструкция

и опыт эксплуатации газогенераторного, оборудования энергоустановок // Обзорная информация ШИЭИПФОШЭНЕРГСШШ. Сер. Энергетическое машиностроение. - 1986. - Вып. 4. - 50 с.

15. Бородуля В.А., Подбврезский А.И., Камара Т. Скорость начала псавдоожижения сыпучих материалов в вертикальном центробежном аппарата // Изв. Вузов, Сор. Энергетика. - 1984. - № 7,-С.100-102.

16. Бородуля В.А., Подбврезский А.И;, Камара Т. Унос псевдоожижанного материала из вертикального центробежного аппарата // Изв.АН БССР. Сар. Физико- энерг. наук. - 1984, - № 4. -

С; 79-82.

17. Подбврезский А.И., Камара Т. Псевдоожижение сыпучих материалов в вертикальном центробежном аппарате // Тепломассо-перенос в аппаратах с дисперсными системами. - Минск, 1983.-С." 124-133. - (Сб. науч. тр./ ИТМО АН БССР).

18. Бородуля В.А., Подбврезский А.И. Гидродинамика псевдоожижанного полидисперсного материала // Изв. АН БССР; Сер. Физ.-энерг. наук.- 1985.- С. 28-32.

19. Подбврезский А.И. Интенсификация теплообмена в воздухоохладителях с помощью псевдоожижанного слоя // Холодильная техника. - 1990. - В 5. - С. 38-41.

20. Бородуля В.А., Ганжа В.Л., Подбврезский А.И. Теплообмен псевдоожиженного слоя крупных частиц с поверхностью //Проблемы тепло-и массообмена в процессах горения, используемых

в энергетике. - Минск, 1980. - С. I4I-I57, - (Сб. научн.' тр;/ ИШО АН БССР).

21. Подборезский А.И. Теплообмен псовдоокиженного слоя с пучками труб под давлонием // Тепло-и массоперонос: физический основы и методы исследования. - Минск, IS80. - С. 23-26,-(Сб. научн. тр./ ШМО АН БССР).

22. Подберезский А.И., Рыбчинский В.'Д., Камара Т. Теплообмен псевдоожижешюго материала в вертикальном центробежном аппарате /Д!атер. УП Всссоюз. конф. по тепломассообмену. -Минск, 1984. - Т. 5, ч. П. - С, 103-110. - (Науч. тр./ И1М0 АН БССР).

23* Подберззский А.И. Интенсификация процессов теплообмена в холодильных устройствах // Матер, научн.-практической конф.: Ресурсосберегающие технологии переработки продуктов животноводства. - Минск, 1909.

24. Подберезский А.И. Дисперсные среды - интансификаторы технологических процессов АПК. - МпнсшБелНЖНТИ, 1990, - 56 с.

25. Подберезский А.И. Теплообмен в воздухоохладителях с циркулирующим слоем // Матер. Всесоюз. научно-практической конф.: Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях АПК, торговле и на транспорте (24-26 октября 1289). -Одесса,1389.

26. Подберезский А.И. и др. Устройство для холодильной обработки мясных туи. Пол. рош. по заявке JS 4626413.

27. Подберезский А.И. и др. Пол. реш. по заявке 4358307, МКИ F 25 13/06.

28. Подберезский А.И. Пол. pea. по заявке й 4676421.

29. Botadura. VA, Gcrnzha V.L, МкшзкуАЛ,

Heat ticuisfec fetusam. a MeUctlsuzd (kel and HJtstJac.e. ctt аёттрА&ги; cuid

Link pteMutks ([ 2. feat

Tzansfel - V. 26, NH- p. /S77- /SS4

30. Boiodufy* V.A.t (кигзЛа VLt PoditieZsi^ A 7., Heat itarisJ&i ¿ti JáíidcJied Bed air fu#A ргекиле. // Р&шгайоп /¿"с/. Gzace,

J. M. Matsv}.- fourfold London: P&>r,um Pms. Ploceed. al 3fCkz(iqtiüna£ FluidсЭмЫоп CotiZ (3-8 August 1980) sponsoZed fy EFCcrnd. Ttecd at Uennikez. - Hew tfe/nf>3ncezf t980-j>.J>Qf~20S,

3i .lotodufa^Gcuida V.L., PcxJ&wJtfAJ,

urimahf №ttccqe %Jk faáof&s //AU. H&tt Hm Ttafisftl, - гэзз. - \r.2S, Nff-p.lS77-tm

32. ßozadufycr KA, Ganzkq I/1 PodfetQSLShÁJ, Heat Uansfci Мшшь ßdcä&oj Ms 4 ¿We paz&c&s cud búüDtdrf tuJk ffucr&s eft high ' p be states // ¿httHkaf Mqss Tlansfet. -1984- V.27f tfâ.y, /2/9-

п

п

1Ус

ы

е0

ив

а"

£р

н,

н

ь

¿Тит

Р 7 „ и: и с

Л

9

Т/. И 5«

Ш*

В, в ПX

т

г

пл

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- количество частиц исследуемого материала и проба, ит.;

- общий объем вытесненной дистиллированной води от погруженной проби насыпного материала (продукта);

- порочность насшпого слоя;

- скорость пото:а воздуха;

- скорость уноса;

- порозиость расширенного слоя;

- висота пасиппого слоя;

- высота псовдоо,~:];::онного слоя;

- топлообмспная поверхность;

- сродпаинтогралыши парапад температур;

- плотность воздуха;

- коэффициент сопротивления;

- скорость минимального псивдоожи;;:ония при атмосфор-ном и повышенном статическом давлениях соотеотст-езнно;

- плотность материала частиц;

- ускорении свободного падания;

- молекулярный вое жидкости;

- объем приемной емкости; •

г- универсальная газовая постоянная;

- площадь поверхности жидкости в исходной емкости;

- площадь поверхности десублиматора;

- давление и температура парогазовой смеси в приемной емкости при дэсублимации и после испарения досуб-лимата;

- коэффициент эффективной теплопроводности ПС;

- безразмерная температура

- теглпесатура воздуха на входо е воздухоохладитель;

- текущая температура;

- безразмерная продольная координата в ПС, отсчитанная от газораспродолителя, /= Л.

Нел

- текущее расстояние от газораспредолиталя;

- удельная теплота соответственно парообразования и плавления льда;

С - кощентравдя влаги в охлаждаемом воздухе,-зависящая от температуры и давления, €(Р,Т)~С(Т) - удельная теплоемкость воздуха;

С1пр - площадь поверхности теплообменника, погруженного в ПС, в расчете на единицу объема слоя;

Ц - горизонтальная и вертикальная составляющие вектора скорости соответственно;

У^ ' - объемный расход воздуха;

Ротаприн: НПО " Еелмясомолпрома" 3. ^^ ^>{00 ;":з*