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

г'.мгв ЕШ*

тдел

ЯШ

СТВЕННЬЙ КСШТЕТ РС<К!Р ПО ДЕЛЛ1Л НАУКИ и ВЫСШЕЙ школы

КИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

На прапах рукописи

ПСДЕЕРЕЗСКИЙ АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕПЛШАСС (ПЕРЕНОСА В ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ С ДИНАМИЧЕСКИМ ДИСПЕРСНШ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Специальность 05.18.12. -05.18.14. -

процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

хранение и холодильная технология пищевых продуктов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1991

Работа Еылолнано в Института тепяо-и массообманя им.' А.В,Лихова АН БССР и в Болорусском яаучно-псследогятальском л конструктороко-технологичоском института мясно' и молочной ПР0ШШЮШ10СТЛ.

Официальные оппоненты

- доктор тохнпчпекпх наук про^юссор Н.В.АНТОНЙШИН

- доктор тпхшгаскюс наук прскТяссор Э.Э.АМШСОВ

- доктор тохнипоскихнаук профессор И,А.Б0'СУН

Видущая организация - НПО "Агрохолодпром"

Защита дчссертации состоится " Л-> " <-У//л.»¿г 4 1991г1

в_часов на заседании специализированного Совета

Д 063.46,01 при Московском ордена Трудового Красного Знамени институте прикладной биотехнологии по ацрооу:109818, г. Москва, ул. Талалихина, 33.'

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института,

Автореферат разослан " /У " <>¿'¡-у <.-. Г1991г.

УчаннЯ сокротарь споиичлизироЕанного Совета, к.т.н., доцчнт

С.Г.ЮРКОВ

г

ОЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность томи диосортации. Пород агропромышленный компасом imiaü страны поставлена задача по ускоренному внедрению юссйшоЛ технологии термической обработки мяса и других пищевых лродуктос, обеопочивающей максимальную экономию сырьевых и эпор-готичоских росурсоп.

Внимание научно-технической общественности должно бить постоянно сосредоточено на совершенствовании существующих и созданий новых технологических процессов и установок большой: единичной мощности при одновременном снижении их материале- и энергоемкости.

Ускорение иаучно-тохнкчаского прогресса невозможно обеспечить не осуществив интенсификацию процессов тапло-и массообмана в создаваемых технологических аппаратах и объектах. Значительные возможности в связи с этим имеются на пути использования в технологических аппаратах динамических дисперсных теплоносителей (ДДГ).

В послевоенные годы в СССР и за рубежом интенсивно разрабатывались вопросы теории и практики динамического дисперсного теплоносителя применительно к задачам цветной и черной металлургии, химической, пищевой, медицинской , строительной, ядерной и других отраслей промышленности. .Обширные теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении выполнены советскими учеными: Н.В.Аитонишикш, В.Г.Айнштейиом, А.П.Баскаковым, Б.В.Боргом, Ю.А.Буевичем, Н.И.Гельпариним, Ю.П.Гупало, В.М.Дементьевым, С.С.Ззбродским, Н.Б.Ковдуковым, К.Е.Махориным, Г.М.Минаовым, В.П.Мямшковым, И.П.Мухленсвым, И.М.Тазумовым, И.А.Роговым, П.Г.Рсмэпковым, М.Г.Слинысо, Н.И.Сыроттниковым, И.И.Тагановым, О.М.Тодесом, Э.Г.Тутовой, Н.А.Шаховой и многими другими. Большой вклад в создание тесрии псовдоожижения и технологического оборудования на этой основе сделан зарубежными учеными: Дп.Боттерил-лом, Ст.Диче лил, И.Дэвидсоном, О.Зонзом, Д.Кунни, О.Левеншпилем, Ы.Лова, П.Роу, Д.Харрисоном и другими.

Современное состояние тесрии и практики применения динамического дисперсного теплоносителя п качестве промежуточного до-

статочно широко освещено в многочисленной литературе.' Незначительное число работ посвящено использованию динамического дисперсного теплоносителя в качестве основного. Значительные трудности в разработке высокоинтенсивных тохнологий и аппаратов на основе дисперсного теплоносителя связаны с отсутствием достаточных физических представлоний о механизмах переноса теплоты л массы и невозможностью полностью удовлетворить требованиям теории подобия при постановке экспериментальных исследований на конкретных установках даке в сравнительно простых условиях (атмосферное давление, средние температуры).

Таким образом, широкому внедрению технологических процессов и аппаратов, основанных на применении диспорспого теплоноси- , теля в качестве основного и промежуточного в промышленность, препятствует недостаточная изученность отдельных явлений, протекающих при использовании этого топлоноситоля, а также отсутствие необходимых закономерностей и недостаточная осведомленность ?ох-ничоской общественности о про имущество использования динамического теплоносителя.

В то же вромя сочетанио использования дисперсного теплоносителя в качестве промежуточного и, например, низких рабочих температур или высокого статического давлония в аппаратах позволяет значительно интенсифицировать по только процессы тепло-и кассо-» обмена и устранить или ослабить некоторые недостатки этого опо-соба.как технологического метода, но и значительно сократить потери продукта при холодильной обработке.

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

Создание надежных и экономичных технологий и аппаратов с использованием динамичоского дисперсного теплоносителя - сложная техническая задача, для выполнения которой нужен комплексный подход к решошш целого ряда научпо-тохшчоских проблем, В первую очередь нужны дальнейшие исследования процессов переноса, определяющих работу практически любого аппарата с использованием динамичоского дисперсного теплоносителя.

В настоящее вромя остро ощущается дефицит обобщокшгх зависимостей для инженерного расчета технологического оборудования

с использованием динамического дисперсного теплоносителя.

Диссертационная работа выполнялась в связи с разработкой государственных тем: "Исследование гидродинамических явлений в дисперсных системах", Гос.per. Р 73063G2; "Применить математические моделирование для изучения процессов переноса п аппаратах с кипящим слоен", Гос.per. 760865Ь5; "Исследование тепломассопе-реноса и гидродинамики в развитом пссвдоохсиженном слое при атмосферном и повышенном давлениях применительно к технологическим процесса:.!", Гос.per. К1 8I009I56; "Создать эффективные технологические аппараты для термообработки кормовых концентратов и других продуктов биологического синтеза". Гос.per, !!" 8I00213I8.

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

Научная новизна. Повое 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 положений и разработок.

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

о

груженными теплообменньши поверхностями при скоростях фильтрации достаточных для придания дисперсной среде движения. Впервые создан экспериментальный воздухоохладитель с циркулируй™.! промежуточным 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 вихрей с целью интенсификации внешнего теплообмена с охлаждаешь продуктом и снижения массообмена ме.тду продуктом и хлгдокосителс.м, созданы промышленные камеры с вихревой системой воздухораспредоления емкостью 50 т. Определена область применения динамического дисперсного теплоносителя ' /ДЦТ/ в пищевой и перерабатывающей промышленности АПК. Предложен ряд новых способов получения двухфазных одноконпонентных теплоносителей, использования последних в холодильной технике и технологии . В диссертации представлен материал по теоретическому об обще шло в области взаимодействия воздушного потока с движущимися дисперсны:«! средами и теплообменньши 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 дисперсны)! 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 воздухораспредсления для камер.

Методические принципы анализа гидродинамических и теплооб-менных параметров дисперсного теплоносителя доведет до инженерных расчетов воздухоохладителей. Созданы и внедряются экспериментальные образцы воздухоохладителей с дисперсны).! теплоносителем, предложен ряд новых способов получения двухфазного одно-компонентного теплоносителя. Результаты теоретических и пкспер:ше

ташка выводов воплощены в "Рекомендации по проектированию на— мэр замораглваняя и охлаждения с впхрсаой системой воздухорасп-ределепяя и утворпаенн Госагропромом БССР.

Реализация работы. Результаты работы еподронц на Слуцком, —лебкпеком и других мясокомбинатах, на предприятиях п/я В - 8685, Минэпорго. Таказ результаты работы внедрены в учебный процесс Белорусского политехнического института по дисциплине " Тепломассообмен" е качество лекционного материала для специалистов по холодильной тохшже. Суммарный экономически"; э'тТюкт от внедрения технологического оборудования с использованием динамического дисперсного теплоносителя составляет 2,5 млн.рублей при долевом участии автора более 1,5 млн. рублей.

Новизну исследований и технических предлоганий подтверждают II авторских свидетельств.

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

Автор защищает:

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

2. Результаты термодинамического анализа получения двухфазной однокомпонентной смеси и обещанные геплообмашшо закономерности при течении последней по трубам.

3. Результаты экспериментального и численного исследования образования локальных вихреЕых течений в объема неограниченной длины.

4. Эизическиа представления механизма тепломассопереноса

в воздухоохладителях о 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 псевдооулвэнних системах) под давлением и при пониженных температурах, а также зависимости для его

расчета, установленные закономерности теплообмона псевдоожижен-

..ного.слоя с трубными поверхностями. ......

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

7. Новые технологические процессы холодильной обработки и аппарат' с использованном динамического дисперсного теплоносителя.

Апробация работы. Содержите отдельных разделов диссертации и основные результаты были прсдставлоны и докладывались на У1 и УП Всесоюзных совещаниях по тепло-и массообмену ( Минск, 1980, 1984); Минском Международном форуме "Тепломассообмен -1/Л1Ф" (Минск, 1988); Международных конгрессах по инженерной химии, машиностроению и автоматизации в химической промышленности ХИСА (Прага, ЧССР, 1981, 2984); Международных школах-семинарах: " Тепло- и массообмен в химически реагирующих системах" (Mi-гск, 1983); " Проблемы тепло- и массообмзна я процессах горения, используемых в энергетике (Минск, 1980), Международной конференции по псовдоожикетш (Хснникер, США, 1980); У Маету па родной летней школе 'Моделирование тепло-и массообмапиых процессов (Бургас, Болгария, 1985); УП Национальной конференции по тепломассообмену - ШТ - 15-85 (Индия, 1985); Всесоюзной научно-практической конференции " Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте (Одесса, 1989); Всесоюзной научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии переработки продуктов животноводства (Минск, 1989).

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

Структура и объем диссертации.Работа состоит из общей характеристики, 6 глав, выводов и списка литературы.

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

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И СОВРЕМЕННЫХ ТШДЕ1ЩИЙ 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 обеспеченно высокого качества сырья и продуктов питагая 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 имеет 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 хрэнене 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-химический 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, обусловленрие деятельностью тканевых ферментов, физико-химические реакции.

Значение развития указанных процессов определяется прежде всего их влияние:-! на органолептические показатели, биологическую ценность, технологические свойства объекта.

Имеющаяся информация свидетельствует о том, что на измене-

ние качественных показателей оказывает существенное влияние интенсивность понижения температуры ча первой стадии охлаждения. Так при высокой скорости понижения температуры говядины наблюдается изменение состояния шшечшх белков, приводящее к повышению жесткости мяса. Эффективным способом устранения "холо -дильной контрактации" является электростимуляция туш, способствующая увеличению скорости ферментативных процессов, ответственных за состояние белков.

Определяющее значение с позиции экономики процесса и качественных показателей продукта имеет выбор рациональных режимов холодильной обработки, обеспечивающих снижение усушки. Учитывая народно-хозяйственное значение сокращения потерь массы продукта, этому проблемному вопросу уделяется особое внимание.

Потери массы продукта за счет испарения влаги с поверхности зависят от у слови:'! и режимных параметров процесса, а также от фор:!ы и размера объекта, наличия соединительнотканных образований на поверхности, содержания .кира, гидратации белков. Благо- и газообмен при контакте продукта с воздухом наряду с усушкой сопровоздается развитием окислительных превращений миогло-биновой и жировой фракции мяса. Развитие указанных процессов приводит к изменению цвета пяса-оа счет повышения концентрации гемового пигмента в поверхностном слое в результате испарения влаги, а также образования метмиоглобина, и макет негативно повлиять на пищевую ценность продукта.

Анализ и обобщение имеющейся информации дают основание считать, что быстрое понижение температуры объекта при охлаждении обеспечивает повышение стабильности его свойств и выгодно в экономическом отношении, т.к. способствует понижению усушки и увеличению коэффициента использования холодильных емкостей.

Указанные положения были учтены при создании нами технологии и техники охлакдешя мяса с использованием вихревой системы воздухораспределения.

Улучшение продовольственного обеспечения страны и обеспечение устойчивой работы перерабатывающих отраслей пищевой промышленности предопределяет необходимость совершенствования существующих и создание новых технологий и технических средств, обеспечивающих длительное хранение пищевых продуктов.

Наиболее распространенным и элективным методом, обеспечивающим длительное хранение продуктов биологического происхождения является замораживание.

Рекомендуемые условия и режимы замораживания предотвращают развитие микроорганизмов, однако не устраняют возможность изменения свойств продукта вследствие физических, физико-химических и биохимических процессов.

Сложность состава и особенности микроструктуры мяса, наличие белков разной молекулярной формы, содержание активных ферментных систем, предопределяет специфику и взаимозависимость процессов, развивающихся в объекте при замораживании.

Уровень изменений качественных показателей продукта, потери массы за счет испарения влаги зависят как от условий и режимных параметров процессов замораживания и последующего хранения, так и от исходных свойств мяса, определяемых характером и степенью развития автолитических процессов, величиной рН.

Кристаллизация влаги приводит к изменению физических свойств, морфологических характеристик мяса и оказывает влияние на специфику развития физико-химических и биохимических процессов. Имеющаяся в настоящее время обширная информация свидетельствует о зависимости размера, формы и распределения кристалликов льда, микро- и ультраструктуры мяса от условий замораживания. Быстрый теплоотвод при замораживании предотвращает значительное перераспределение влаги и способствует образованию мелких, равномерно распределенных кристалликов лбда, что ограничивает в определенной мере возможность механического повреждения структурных элементов ткани. Судя по имеющимся данным на характер кристаллообразования при замораживании существенное влияние оказывает также уровень и характер развития биохимических процессов в мясе.

Практические последствия изменения белков при замораживании мяса делает этот вопрос наиболее важным. Увеличение концентрации растворимых компонентов в жидкой фазе за счет выделения кристаллов влаги и пространственного сближения макромолекул способствует денатурационшм изменениям белков с последующей их агрегацией.

Развитие циклических процессов влияет на гидратацию системы,

потери массы за счет испарения влаги, а тшие^ 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 явля-• ется сублимация льда из поверхностных слоев материалов. Увеличение контактной поверхности способствует развитию окисления липидной фракции и миоглобина, денатурации белков, потери ле- , тучих компонентов. Таким образом, испарение влаги приводит к негативны;.! изменениям свойств поверхности продукта, ухудшению цвета, запаха, вкуса, сочности и консистенции продукции и может отразиться на биологической ценности продукта за счет окисления жира и возможности образования белковолипидных комплексов, устойчивых к действию протеолитических ферментов.

Развитие нежелательных изменений свойств ь'яса зависит от условий и режимных параметров холодильного консервирования, а также состояния сырья, поступающего на замотаживапие. Пссом-неное преимущество имеет способ затораживг-.ния парного мяса. -Применение однофазного замора'кивпния позволяет сократить продолжительность процесса, уменьшить потери массы, обеспечивает более высокий уровень сохранения исходных свойств белков, способствует понижению степени окисления жира.

Холодильная обработка мяса в настоящее время проводится в камерах периодического действия или туннелях с использованием поточного метода обработки мяса. Кижо приведены некоторые последние разработки по холодильной обработке мяса, которые внедрены на холодильниках нашел страны.

Сотрудники ВНИОТИхолодпрома предложили способ замораживания мяса в полутутах, заключающийся в обработне мяса потоком холодного воздуха в две стадии и отличающиеся температурным ре;нимом, а также интенсивностью отбора тепла от 1,'ясо, Дия реализации этого способа необходима дополнительная производственная площадь. Способ внедрен на йтомирском мясокомбинате.

Разработанная Кишиневским политехническим институтом система зоздухораспредсленпя с внутршсамернод регенерацией влаги внедрена па Калшшовичсг.ом мясокомбинате Белоруссии.

К основным недостаткам кашр с внутрикямерпо/1 регенерациой влаги следует отнести попыеэнный цикл холодильной обработки и неравномерность охлахухения продукта.

Одесский технологический институт холодильной прожаленности предложил способ стабилизации температурных режимов при холодильной. обработка млса, которую начинаю? производить сразу же после поступления полутуш из оШС. Процесс замораживания предложено осуществлять в три операции:пореичноо охлаждение, подмораживание и замораживание. Технология осуществлена на холодильнике Тернопольского мясокомбината. Для шедреппя этого способа необходимо имзть значительное по сравнению с описанными ранее, количество приборов охлаждения.

Сотрудниками БелНИКТИК.П разработана и внедрена на Злобин-ском и Слуцком мясокомбинатах вихревая система воздухораспрэ-делония для камер холодильной обработки мяса. Использование вихревой системы воздухораспроделешш позволяет интенсифицировать процесс переноса твпла и снизить влагообмен.

Основные факторы, влияющие на продолжительность замораживания следующие:

а) форма и размзры тела. Тела с формой цилиндра и сферы с радиусом /? замораживаются, соответственно в 2 и 3 раза быстрее по сравнению с формой пластины толщиной 2К ;

б) коэффициент теплообмена £ и коэффициент теплопроводности Я • Величина коэффициента теплообмена с1 зависит от метода замораживания, вида охлаждающей среды, скорости движения среды, температуры и непосредственно контакта среда - продукт;

в) перепад температуры дТ . Продолжительность замораживания является обратнопропорционалыюп зависимостью между перепадом температуры продукта и охлаждающей сроди;

г) упаковка. Наличие упаковки продляет время замораживания.Существенное значение на тэрмичоское сопротивление оказывает плотность прилегания упаковки к продукту.

Выбор рациональных уел ори:"! и методов эпкорпяапшпш гоецс-шзе проектов должны оспошваться па объективной оценке комплекса показателей, позволяющих охарактеризовать технологические, технические и экономические аспекты предложс-нгек рекстш^.

В теплом изическом аспекте рациональные условия и метода замораживания можно искать в увеличении скорости замораживммя или снижения продолжительности процесса термообработки. Продолжительность процесса холодильной обработки можно сократить посредством:

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

Анализ результатов теоретических и экспорилеиталы-т исследований, обобщение данных полученных н пропиленных условиях дает основание считать, что нонболео перспективны.! направлением иптенсимпсаци'.! теплообмешшх процессов при холоди-мьио" обработке ппщесих продуктов является использование динамического дисперсного теплоносителя.

2. МЕТОД!! ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛдРОДЖ'Л.'.МКИ и ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИ ИСПОЛЬйОЗШШ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИСПЕРСНОГО ТЕПЛОПОСИЕЛЯ

Согласно поставленной цели экспериментальные исследования были проводены в следующих направлениях:

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

2) исследовать гидродинамику в аппаратах с динамическим дисперсны.! теплоносителем различных материалов и влияние погружения в но го модельных и реальных тол и теплообмониых поворхносто'Л;

3) исслодовать. гидродинамику воздухорзспродолительно". роиот-ки (перфорированной);

4) исследовать гидродинамику, тепло-и массообмен при различных конструкциях воздухоохладителей с промежуточным теплоносителем;

5) исследовать гидродинамику, тепло-и массообмон при замораживании пищевих проектов в дшишчиотом дисперсном теплоно-

■ спголе(в поевдоскикснногл слое);

6) получить двухфазные однокомлонентные и двухкомпонент-ные дисперсные смеси, исследовать их теплообмен с поверхностью;

7) исследовать интенсивность испарения воды с поверхности.

Указан»«а исследования были проводоны на лабораторных

стендах ИИ.Ю АН БССР и БелШКЖ.МП.

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

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

б) контрольно-измерительная аппаратура для гидродинамических исследований: электронные крыльчагые анемометры, автоматический измеритель скорости и температуры потоков воздуха (АИСТ),ком- -пенсационный микроманометр ЫК - I, микроманометр типа ШН - 200;

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

Наиболее оригинальным в исследовательской работе был многоточечный датчик температуры (МДТ). Он предназначен для исследования меяфэ зового теплообмена в псевдоожиаенном слое при замораживании пищевых продуктов. При псевдоокизгаином состоянии продукта в слое измерение температурного поля в продукте параллельно с температурой ошжаюяего потока воздуха весьма затруднено и нот технических средств для этих целей. Собственная масса датчика была так подобрана, что прикрепленный к частице продукта псе вдоожже иного слоя датчик практически не изменял характера движения частицы в слое.

В настоящей работе использованы известные и оригинальные методы исследований:

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

Эквивалентный диаметр частиц определялся экспериментально по методу вытеснения объема дистиллированной воды при 20°С в трубко с измерительной шкалой в мл партии частиц с их известным числом, т.е. по следующей формула

Чорез ситовый анализ па база характеристик сит определялся сродниц диаметр част:;ц. Единичная касса частицы определялась по формуле:

9 =

п

I 9с

п

плотность материала п

, Ъ9с

I V;

Насыпная плотность материала

(2)

определяла по, -формула:

(3)

(4)

б) методика исследования гидродинамики При исследовании гидродинамики необходимо измерять: скорость воздушного пото!са.который определяют с помощью расходо-морных саиб и С! -образного манометра,термолнемомотров или олакт-ропно-крильчатых анемометров,которые показывают средние скорости или скорости в опродолонных зонах потока; гидродинамическое сопротивление слоя или отделы::х элементов исследуемого оборудования, которое определяется перепадом статического давления па входе и выходе данного участка посредством микроманометра; коэффициент местного сопротивления £ .который определяется по формуле

Вейсбаха

лР- Г

г

1=2

лР Я

(5)

(о)

Методика исследования гидродинамики динамического дисперсного теплоносителя (псседоо;::п;;;сшого слоя) сводилась к опро полонию гидродинамического сопротивления слон

лРс.

сл в диапазоне ско-

ростей фильтрации воздушного потом О < иср < (~!кр

оз оценку геометрических параметров псевдооки"еиного слоя вводят понятно относительного расширения слоя \л/ , которое определяется:

откуда

с Н-Но ((-£*)

~ Н

(8)

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

В работе исследован внутренний (мз:;;ду двумя (разами) и внешний (пойду псецдоояияенным слоем 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 тела равно количеству теплоты, которым он обменивается с остальной массой тела. Важной характеристикой процесса теплопроводности является критерий Био ( Вс ). Он представляет собой отношение внутреннего термического сопротивления теплопроводному.к внешнему термическому сопротивлению теплоотдачи, т.е. Вё = Если #¿-»00, то температура поверхности исследуемого материала сразу становится равной температуре окружающей среды, в которую он погружен, В этом случае имеет место большая интенсивность отвода тепла от поверхности и процесс охланздения 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 охлаждения тела -зависят только от интенсивности теплоотдачи,

процесс выравнивания температуры в теле происходит существенно интенсивнее, чем отвод тепла с поверхности. Задача становится внешней. Если интенсивность теплообмена тела определяется как скоростью переноса тепла внутри тела, так и скоростью переноса тепла через пограничный слой (краевая задача). МегДазный теплообмен мелкодисперсных систем характаризу-

втся значением , при котором можно пренебречь внутрен-

ним температурным градиентом, т.е. моншо принять, что весь температурный перопад мевду двумя фазами дисперсной системы сосредоточен на границе раздала фаз. Такой вид теплообмена имеется при замораживании пищевых продуктов в ДЦТ и в воздухоохладителях, работающих с промежуточным теплоносителем.

При' заморзишЕании плодов и овощей в псевдоожишнном слое, когда продукт является дисперсной фазой, а псевдоожижепный слой грубодиспэрсной системой, критерий находится между 0,1 и 100, Поэтому интенсивность замораживания продукта определяется как скоростью пореноса тепла внутри материала, так и скоростью переноса тепла через пограничный слой, В связи с. тем, что коэффициенты теплопроводности плодов и овощей низкие, а тагске с учетом появления внутреннего источника тепла в процесса фазового перехода води в лед, внутренним градиентом температуры пренебрегать нельзя. Наличие переменного внутреннего и вношнего текло ра-турного градиента приводит к нестационарному теплообмену, Один из основных и существенных моментов в принятой методике исследования межфазового теплообмена в грубодйспеисиой системе является регистрация температуры подвижной частицы и псевдоошш-ющего воздушного потока в функции времени и пространства. Для решения этой проблемы и был разработан многоточечный датчик температуры. С помощью такого датчика я в сочетании с самопишущим электронным потенциометром били 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 й^ ,а эффективный за весь процесс Мэру», и температурный градиент АТ определялся условно как постоянным (среднеинтегральным) за весь процесс по временно-температурным крив™, поэтому закон Ньютона-Рихмана в этом случае формально можно применять, т.е. 4

В зависимости (9) при внешнем теплообмене вместо температуры динамической дисперсно:! среды можно подставлять тегпературу псевдоожижающего потока воздуха на выходе из слоя ( Тр^ ).Основанием такой подстановки слукзт собственные .исследования и исследования других авторов. В Формуле (9) лри исследовании меж^язо-вого теплообмена является средней температурой мевду температурой входящего в сло£ л зыходадего дз него потока воздуха.

Исходя из уравнений теплозого •баланса для воздушного потока и для охлавдония .{нагревания) продукта и из закона неразрывности для теплового похода дояучае-м следующее выражение для определения э^фетсгдвд©?® л^юф^ициента теплоотдачи:

4 - № сю)

гл лТш»

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 шкале этого прибора, Теория ошибок справедлива только для случайных оиибок. Если измеряемая величина Я изменяется непрерывно, то область полученных Я значений разделяют на некоторое количество интервалов одинаковой ппринн п определяют количество измерений, попавших в каждый из этих интервалов ( ¡(¿£ ^ ). Такое частотное распределение можно представить с помощью гистограммы. Мы всегда имеем дело с конечным числом Я измерений,, которые называют выборкой объемом П , Наилучшим приближением истинной величины является так называемое выборочное среднее значение

*<■ <ш

Для оценки точности измерения величины выбираем среднеквадратичную ошибку от отдельного измерения и границу до-зерительного интервала, которая является.параметром закона Г1ус-:а для нормального распределения случайных величин. Границы де-зерителыюго интервала ЛХ определяем с помощи Т - распределе-

нил или распределения Стьюдента П ). Это распределение

симметрично и.шокне похоже на колоколообразную кривую нормального распределения, но ее максимум пика. Для 11=2 это распределение совпадает с распределением Лоренца, а с увеличением П оно стремится к нормальному'распределению. Результат измеряемой величины Л о записывается в слсдуэдом виде

Хо=К±ДХ (12)

(13)

Посредством математической тоории случайных явлений исключаются случайные ошибки, которые сопутствуют данному измерению.

Исследуемые процессы и явления в настоящей работо отличаются значительным количеством воздействующих Факторов. Аналитическое описание этих процессов в основном сводится к еыводу корреляционных зависимостей (преимущественно критериальных) следующего вида:

Ка-ССк»* ^»» . (15,

где Ко,^ ........... Кг> ~ соответствующие критерии или

симплексы, С- константа, Ш^П^г .....Мп - показатели степени. Для определения^/?^ П)п в уравнении (15) используют метод А.В.Вургафта.

3. ПЩ>0ДШ1А!Л!1КА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ: АППАРАТАХ С ДШШЕСКИМ ДИСПЕРСНЫ! ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ПРИ РА31ПЯ РЕЖНЫХ ПАРАМЕТРАХ

При расчете технологических аппаратов с динамическим дисперсным теплоносителем используемы:.! в качества промежуточного необходимо учитывать влияние гидродинамических параметров. 3 основном гидродинамическая сущность указанной дисперсной среди сводится к

процессу псевдоожижения, когда через слой зернистого гетто риала, расположенного иа поддерживающей газораспределительной решетке аппарата, проходит восходящий поток ожижающего агента. Состояние зернистого материала слоя меняется с изменением стсорости этого :;:п'ока. При увеличении скорости оживающего агента увеличивается гзисота слоя п потеря давления сжижающего агента в нем, п при определенно," скорости потеря давления становится равной силе, с которой па слой действует земное притяжение. Расширение нсевдоожи-жаюцего слоя (ПС) так ко как и скорость начала псевдоожижения чрезвычайно важные гидродинамические характеристики, которые необходимы для определения рабочей высоты слоя в аппарате и напора системы подачи.

Режимы псевдоожлжения оказывают непосредственное влияние ад процессы тепло-п массообмена в слое. Б зависимости от геометрических размеров аппарата, размеров и свойств зернистого материала имеют место три режима псевдоожджония: однородный, неоднородный и поршневой. Однородный режим характеризуется таким аостояштсм материала, когда зго частицы отделены одна от другой. На практике однородный псовдоожижоппый слой получают при ожижении творднх частиц капельными жидкостями или сжатыми газами. Возникновение при псевдоожижении однородного или неоднородного режима связано с устойчивостью пезвдоожижешшх систем. Ha основании экспериментальных данных предполагается определение режима псев-доожижешш значением критерия Фруда ( Ff ). 3 реальных условиях неравномерность распределения потока ожижающего агента в значительной етепзпп определяется конструкцией аппарата и в пергую очередь газораспределительным устройством. Что же касазтся влия-нпя таких релшгяшх параметров, гак повышенное статическое давление в аппарате или температура среди на качество псовдоожижа-ния, гидродинамику и теплообмен динамического дисперсного теплоносителя, то об этом имеется много противоречивых данных в специальной литературе. Однако, для расчета внсокоинтенсивпого технологического аппарата с использованием для этих целой динамического дисперсного теплоносителя в условиях повышенных статических давлений и пониженных температур, необходимо знать гидродинамические корреляции.

В данной глава представлены результаты гидродинамических исследований.

Влияние давления на скорость минимального псецяоожижения и расширение ожидаемого слоя.

Повышение давления существенно изменяет такие физичоские характеристики псевдоокижаюцаго газа, 1сак его плотность и коэффициент кинематической вязкости, что в конечном счете сказывается на величине скорости минимального псевдоожижения и расширении слоя.

В ламинарной области обтекания, характерный для частиц малого диаметра, коэффициент сопротивления обратно пропорционален /?е (f-ftë), а плотность газа, независимо от режима, увеличивается пропорционально давлению Р . Отсюда следует fl -f - y'^f Так как коэффициент динамической вязкости практически не меняется при повышении давления, то

К этому выводу также можно придти, если обратиться к уравнению Эргуна, которое применительно к условиям начала псевдооки-жения имеет вид:

-ff-m +/,75 -g -g

При исследовании мелких частиц можно ограничиться первым членом в правой части уравнения (16), з котором, как видно, нет переменных, зависящих от давления.

Естественно, обтекание крупных частиц происходит в режиме ' развитой турбулентности, когда давление будет существенно влиять на величину Uo , В соответствии о интерполяционной 'формулой Тодеса

л An

Пе<~ i4QOt-5,22\fJ^ (17)

Соотношение скоростей начала псевдоожи-здния крупных частиц при двух разных давлениях Р/ и определяется как

Uot~ у,\Мг, "V Рг

(18)

Таким образом, для крупных частиц линейная скорость начала псавдоожижения убывает с ростом .давления обратно пропорционально корню квадратному из отношения давлений. Что ко касается массо-рой скорости начала псевдоожижения, то с повышением давления для мелких частиц она должна возрастать пропорционально или Р а для крупных - пропорционально ^"или У/Р

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

Зависимость Ц> от давления для различных фракций частиц

Зависимость от диаметра частиц при различных давлениях

г/ 1/ з,г у у б/ у рт<7

1,2 - стеклянные шарики </=7,05 и 3,1 мм; 3 - шaмoт¿ с/ =2 мм; 4 - просо, </ =2 ш;

5 - песок, с/ =0,8 ым;

6 - стеклянные шарики,

с/=0,45 мм; 7 - песок; е/=0,25 юл; 8 -песок, ст=0,125 мм;

Рис. I

0,3 0,7 ф у ёь

I -Р*-В,1 МПа;-2 -3 - 2,6; 4 - 1,1; 5 -Р =0,1 МПа

Рис.2

На ряс.4 представлены расчетные зависимости

ю* /о1

Зависимость Л», от Л/* ^ Расчетные зависимости Ле от Лг

Кривая рассчитана по формуле ¡Ь*(25е+0,037АгрЧб

I - данные автора; 2-7 данные других авторов

Рис.3

ГОт ГО'

1 - по формуле Бэби и Иена;

2 - (19); 3 - по формуле Саксены;

4 - по формуле Горошко и др. Рис.4

Анализируя полученные результаты, следует отметить, что наибольший разброс точек наблюдается в области меньших значений критерия Архимзда, т.е..в ламинарной и переходной области течения газа. Основной причиной считается различие в порозности слоя, имевшей место в момент перехода неподвижного слоя в ожижвн-нов состояние. Можно добавить лишь, что слои с широким гранулометрическим составом псевдоожижаются при меньших скоростях газа» чем узкие фракции .с тем же средним размером частиц, вследствие : снижения порозности полидисперсного слоя.

Было установлено, что при равных условиях скорости минимального псевдоожижения более плотного материала быстрее приближают- , ся к зависимости Це'ГС'/р) Так, например, для проса (0^=2,0 ми) максимальное отклонение от указанной зависимости составляет 16,9 5?, а для шамота всего 3,7 %,

Полученные данные по скорости минимального псевдоожижения были обработаны в виде зависимости /?&0=Т(Аг).

Структура соотношения была.взята аналогичной зависимости Вэна и Ю:

Это соотношение с погрешностью, на превышающей 10 %, описывает полученные экспериментальные данные.

Максимальное отклонение уравнения (19) от экспериментальных данных других авторов не превышает 28,5в области

ю3<Аг<5-т9

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

Зависимость степени расширения слоя от ¿/ Н

(20)

ОЯТ (ф Ц» «[«У. (.95 ЦКС

I -просо, с/=2 мм; 2 - стеклянные шарики, а =3,1 мм; 3 - стеклянные шарики, с/ =7,05 мм; Х- Р =0,1 ШТа; Й - 1,1; Щ-Р =2,6 МПа

Рис.5

При расчетах аппаратов о ПС необходимо учитывать особенности гидродинамики слоя, связанные с температурным урогнем.

В связи с тем, что в расчетных зависимостях Кб»является функцией А?*» проследим влияние температуры на критерий Лрхима-

да. При измене ни л темпа Da туры от Т/ ло 7¿

átL- A. rt t21S

Для воздуха а многих других газов в диапазоне температур от - 40 до + 1СиЗ°С ьшг.о принять, что

A г т' 1 "7

Тогда с учетом (22) и примерного равенства получим, что

(22)

7Г\г*

Л/ГИш J1 TÍ/ (23)

.Воспользовавшись формулой Тодеса получим:

Ar2(mo+V2\/M) Reo, ~ Ац (im+$22VÄ~n)

(24)

Для очень ьолких частиц, т.е. ламинарного режима течения

газа

(25)

Íül-ÍJL}2-*

fco, ~ Ar, ~\TJ

Для крупных частиц и турбулентного режима ютеияя

ßta _ \pih/T<)t2

/few V/te (26)

Отношение ¿шнейкых скоростей начала псввдоозажекия при этом составят

= fe? Д

^ " ¿Ь/ 'ßt f2 (27)

или с учетом (22) и (26) :

в области ламинарного режима

турбулентного

запишется:

в области ламинарного рехима

7

(30)

турбулентного

Таким образом при пссодооштании молких частиц, когда режим их обтекания имеет ламинарный характер, с ростом температуры переход слоя из пеподвиетого в поогдоокижонноа состояние происходит при более низких липойпой и массовой скоростях газа. Когда кз псоддоожижаытея крупные частицы, увеличение температуры обуславливает увеличение линейкой, но уменьшение массовой скорости начала псевдоохилсния. 3 переходной области зависимость и.*№ ДО-ша иметь окстремум, что подтверждается эксперт«1, н-' талышми данными.

При одновременном увеличении температуры и давления характер изменения скорости начала псавдоожияания будет несколько иным. Для мелких частиц ¿/о иэ зависит от давления и будет уменьшаться только с увеличением температуры согласно (28). Для крупных частиц линейная скорость начала пезвдоожиженая с ростом давления будет убывать обратно пропорционально корню квадратному из отношения давлении и увеличивается с ростом температуры пропорционально корню квадратному из отношения температур, т.е.

Мелкими следует считать частицн, удовлетворяющие следующему уравнению*

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

Таким образом, можно констатировать, что влияние давления и температуры на скорость начала псевдоожижения 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, загадок, сжигания топлива и некоторых других - преобладающее использование находят колпачковыё и колосниковые решетки.

Было изготовлено несколько перфорированных газораспределительных решеток, которые поочередно устанавливались в экспори-менатльный стенд. Исследования проводились в двух режимах: чистая решетка (боз засыпки дисперсного материала), рошотка с насыпным дисперсным материалом. Исследования чистой рошетг.и были направлены на выяснение влияния конструктивных и геометрических размеров решетки на величину гидравлического сопротивления, о исслздование решетки с насыпным дисперсным материалом для определения равномерности пссвдоокижепия материала слоя при различных скоростях восходящего потом воздуха.

(33)

з

(34)

Геометрические параметры газораспределительных перфорированных решеток, использованных в экспериментальных исследованиях, отражены в табл.1

Таблица I

Геометрические параметры перфорированных решеток

Регаотка номер

Вид отверстия

Расположение отверстий ( Диаметр отвер-) стия, мм ;^ивое ¡чение ¡шетки

Шахматное 1,5 0,14

3,0 0,30

4,0 0,34

8,0 0,34

• 6,0 0,4

12,0 0,52

7,15 0,37

7,1 0,476

1

2

3

4

5 ь

7

Круглое

и я

продолговатоо

(2x20) продолговатое (3x20)

ливоо сечение реметки У.предотавляет собой отношение суммарной площади отверстий к ПЛ01«аДи решетки т.е. ¿«о в

1*П

г= г ¿л,

1*0

(35)

Как показали экспериментальные исследования, газораспре- -делительная решетка с.одним и тем же живым сечением ^ , но с разным диаметром отверстий имеет разные гидродинамические характеристики, т.е. чем больше диаметр отверстий, тем меньше 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 то^ки зрения живое сечение должно быть как можно больше, а с точки зрения равномерности распределения потом наоборот. Любая решетка с ллвым сочопием ^ имеет . определенную критическую скорость Ц^р , которая является пре-

8

Зависимость

дельной скоростью потом воздуха, при которой соблюдается условие равномерного распределения профиля скоростей по всему сечению решетки. Исследования зависимости критической скорости т>оз-дупшого потока от живого сечения при различных засыпках, когда соблюдается равномерность распроделония профиля скоростей подаваемого потока воздуха по сечению над газораспределительной решеткой, отражена на рио.6

Из графика следует, что с понижением рабочей сксроста для псовдоожижония определенного вида засыпки при сохранении равномерности скоростного профиля над решеткой необходимо выбирать решетку с меньшим живым сечением, т.е. с более выооким гидравлическим сопротивлением.

Полученные эксперимен- . талышо результаты по зависимости гидравлического сопротивления решетки от живого сечения решетки и скорости -подаваемого потока были обработаны по методу наименьших квадратов в следующие зависимости: '

(р V

Рис.6

(36)

4 Рр=4,06/?е?Г~*'иф

Эти зависимости справедливы в пределах 2000 и 0,15< У^ 0,47, где определяющей скоростью в рость в отверстии реиеткп, т.е.

Ль ее

(37)

еооо

еоть ско-

4. КОВДУХГИВНО - КШЗЕКГ/БШЙ ТШЮ01ШН СЛСЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ

Наличие частиц около- погруженных в слой поверхностей увеличивает конвективную составляющую переноса и, препятствуя образованию теплового пли диффузионного пограничного слоя обычного типа, способствует подводу или отводу от них тепла и массы. Вследствие этого теплообмен ПС с погруженными в него поверх- . ностями происходит путем совместного действия теплопроводности, обусловленной адсорбцией и переносом тепла частицами, конвекции газа и излучением. Стройной теории, уппозно описывающей влияние различных Акторов на эти процессы з их взаимосвязи, до сих пор но существует. Поэтому из сложной рассматриваемой задачи обычно наделяется ряд частных случаев и анализируются отдельные составляющие суммарного теплообмена при допуг;еш'и их аддитпвноети. Сопоставляя экспериментальные данные авторов с корреляциями других мокно сделать вывод о том, что расхождение между указанными данными довольно велико. Предложенные для расчета эмпирические формулы в основном, х<ак. признают сама авторы, не могут быть использованы для расчета при псевдоожижении круп-

ных частиц, когда становится существонной роль конвективной составляющей, практически отсутствуют данные по влиянию геометрии погруженных в слой трубных пучков на интенсивность теплообмена с ПС крупных частиц ( <У> I мм).

Исходя из этого, основной целью проведенного исследования являлось как получение удовлетворительных полуэмпирических кор-релздяй для расчета теплообмена ПО крупных частиц с одиночной трубой а пучками труб лря 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 инженерного расчета.

Исследование теплообмена ПС с -одиночной трубой и пучками труб при атмосферном давления 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 а шахматным расположением труб. В качестве материала использовались део фракции песка о эквивалентным диаметром 0,25 и 0,66 мм, а

также просо с эквивалентным диаметром 2 ш. В .опытах .использовались трубы с' наружным диаметром 14 да. .Коэффициенты яоплорбмонэ между слоем и трубами определялись по стационарной методике «с помощью четырех датчиков - нагревателей., одновременно являющихся трубами пучка. Электрическая-мощность, расходуемая на нагрев датчиков, замерялась методом амперметра и вольтметра, а температура поверхности датчика — нагревателя с помощью термометра сопротивления, представляющего собой модную проволоку диаметром 0,08 мм, намотанную литок .к Еитку па покрытый клеом участок поверхности тру*ш-датчика. Температура ПС измерялась с помощью стандартного термометра сопротивления. В отличие от исследования при атмосферном давлении, исследования закономерностей теплообмена npi" высоких давлениях проводились на сравнительно небольшой .установке. Аппарат, в котором осуществлялось псевдоожижение, представлял собой цилиндрическую колонну с внутренним диамзтром .105 мм и высоток рабочей зоны 0,45 м. Расход воздуха измерялся ¡расходомерной шайбой. Давление в аппарате измерялось образцовым манометром. При выборе методики измерения коэффициентов теплообмена между трубой и ПС предпочтение было отдано электрической схеме с датчиком-нагревателем как;шщйодев1дроетой и точной.

Измерения коэффициентов теплообмена проводндась датчиками диаметром .13 и 18 мм, а для выяснения влияния диаметра -датчика на коэффициент теплообмена использовались дополнительно.датчики диаметром 7,8 мм и 32 мм.

• Па рис. V отражено влияние давления и скошоти фильтрации газа на коэффициент теплообмена при дсевдоогкижещге .песка фракционного состава 0,1 0,16 мм и 1,0 * 1,5 мм .в дяапаэоно давлений от ОД до<8,1 Ша. Кривые для песка 0,1 *<0,16 мм имеют явно выраженный максимум и отличаются сравнительно узкой областью оптимальных значений скорости фильтрации газа. Кривым песка 1,0 1,5 мм свойственно четко выраженного максимума, нисходящая ветвь очень полога, область оптимальных, с точки зрения теплообмена, значений скорости фильтации весьма широка.

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

Зависимость от (/

^па^Вп/м'-Х 1300

Зависимость (Л от Р

боа

т

юа

>

М» ----------

1Г1 . А---*—

Л»

«-с/=.о,внм

ё щ ср о} и, м/с т Рис;7

1 2 3 * 5 в 7 РгМ<10

Рис.8

например, увеличение давления от 1,1 до 8,1 МПа обусловило по-вишение максимальных коэффициентов теплообмена для частиц песка эквивалентным диаметром 0,126 мм в Г, 20 раза, диаметром 1,22 мм-в 2,1 раза, а для стеклянных шариков диаметром 3,1 мм - в 2,4 раза.

Полученные экспериментальные данные были обработаны в виде зависимости №/пспс^(Аь) , которая с погрешностью не превышающей 10 $, в области 5 .104</4/*< 5 • 103 описалась соотношением

4064 Аг°*

(38)

Обработав экспериментальные данные для восходящей ветви кривой {(/?£) была полугена зависимость

N«=0,37 !?е-Рг

(39)

в пределах 20<А&<5«103

Степень-влияния диаметра теплообменной поверхности на ва-лечину получено соотношением ^

М/ - Мита*

/чи<**- 1- ехр[-о,1Аг°Щ

В формула (40) Мц максимальный критерий Нуссельта для диаметра труб, начиная с которого он становится автомодельным, т.е. согласно полученным данным Д^ 18 мм.

Высокое значение конвективной составляющей теплообмена, характер обобщающих корреляций MU=f(R, полученных при анализе пседдоожикенных систем, а также характер обтекания парой, описанный е монографии Аэрона и Тодеса, дает основание полагать, что при 100 процесс происходит при турбулентном течении газа с высокой степенью турбулентности. При этом частицы псевдоожиженного материала, находящиеся у теплооб-менной поверхности, играют роль турбулизаторов. На базе вышеизложенного, можно предложить следующую модель теплообмена псев-доожиженного слоя крупных частиц, в том числе и под давлением, с поверхностью. Исходной посылкой ее служит рассмотрение общего коэффициента теплообмена как состоящего из двух составляющих? конвективной CÍkm$, отражающей перенос тепла от поверхности движущимся потоком газа (или наоборот) и кондуктивной с(квнЗ , учитывающей распространение тепла к частицам теплопроводностью через пленку газа.

Для упрощения аналитического описания задачи считаем:

1) распределение частиц у теплообменной поверхности в процессе псавдоокижения квазистационарно, а расстояние между 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) температура ядра слоя также постоянна в процессе псевдо-ожижнпея;

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

5) пареное- тепла обеими составляющими теплообмена происходит параллельно; . -

6) тацлофизические свойства газа (fiji,*) постоянны

Конвективная составляющая теплообмена. Как в в моделях

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

Однако, в отлично от них и других авторов, средний коэффициент теплообмена определяем по аналогии со случаем течения вдоль пластины при турбулентном пограничном слоо, т.о. по уравнению

где ¿,- сродняя длина пути газа между очередными пропятствиями-частицами, которая в результате преобразований получается равной

(42)

Исходя из того, что для плотной орторомбической укладки ¿„=0,395, выражение (41) в развернутом виде предстанет как

Nuwi-CoKe rt Тч?— (43)

Сся

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

Коцдуктивпая составляющая теплообмена. При псевдоожикении крупных частиц кондуктивный теплообмен составляет лишь небольшую часть от общего, поэтому для расчета (АшЗ желательно иметь выражение пусть менее точное, но достаточно простое. Б псевдоожи-ко1шом слоо крупных частиц практически обоснованно полагать, что. температурный перепад меяду поверхностью теплообмена и ядром слоя сосредоточено в основном на первом от поверхности рада частиц. Считаем, что от поверхности к частице топло передается теплопроводностью через газовую линзу, образованную поверхностью теплообмена и частицы и условно ограниченную цилиндрической поверхностью диаметром с/у, а газовую прослойку - в виде диска того же диаметра и по объему равному линзе. Рассматриваем задачу по прогреву пакета из двух пластин (газ и частица) толщиной О и R =</if , ' имеющих одинаковую начальную температуру to» Поверхность одной .стороны пакета мгновенно приобретает температуру tem которая затом поддерживается постоянной. Температура противоположной

стороны пакета постоянна г процессе прогреЕа и равна начальной температуре пакета. Приняв ¿о зс начало отсчета, т.е. вводя уемпсцатурн поверхностей пакета Ц-Ь'Ь-О,

получим задачу в постановке аналогичную задаче в "Теории теплопроводности" А.3.Лыкова (1952 г.,стр.288-290), которая записывается следующим образом:

до оорчзом:

СС>0;-Ь*<0) (и)

Краевые условия :

1(ят)чV А Я-ёШй.

Решая зту задачу, в итого получаем

Суу.мато.'мй коидуктпгло-конпситявкый теплообмен Исходя из вышеизложенного, для расчета коэффициентов кондуктивно-конвек-тивного теплообмена ПС крупных частиц с поверхностью получается следующая зависимость:

в которой коэффициент Со должен быть определен экспериментально.

При этом мп:хно воспользоваться соотношением для расчета'пороз-

ности у теплообменной поверхности трубы в момент начала псевдо-

ожиженного слоя .

£ =■£*—/. а-е) (0,7293^/39^)

^ст С0- -■--7---(47)

где с -0,3625 в соответствии с условиями экспериментов. В результате регрессионного анализа, использовав экспериментальные дашша 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

. 0133

0,667

В случае свободного пссвдоожлжзнпя, для определения пороз-ности следует пользоваться формулой (20).

Значения постоянной '' Со=0,142 получено п экспер.ч:.:е:гтах с теплообмеппыми трубами диаметром 13 мм, поогог-у при использовании (48) в других условиях «о:гло рехокзадовать следую;,¡ую поправочную корреляционную зависимость, полученную эмпирическим путем

Сравнение результатов расчета с полученными з работе эксперимента льными данными и данными других исследователе:"; показывает, что предложенная подо ль я расчетное уравнение (48) не только правильно отраглют характер зависимости М/ от и £ет но и удовлетворительно количественно описывает экспериментальные данные в широком диапазоне изменения физических :: режимных параметров слоя.

Из уравнения (48) были получены оптимальные значения око-росте:': фильтрации газа. 3 работе сопоставление расчетных и экспериментальных данных по теплообмену ПС крупных частиц приводится впервые, т.к. в литературных источниках оно отсутствует.

ТШЖЮСИТШ 3 ТЕХНОЛОГИЧЕКСНХ АППАРАТАХ

Учитывая то, что несмотря на применение новых способов холодильной обработки удельные энергозатраты и усушка еще значительны, в работа уделено большоо внимание исследованиям для со-Ечршенствогзпия техники и технологии холодильной обработки пи-щазюс продуктов с использованием в качестве интенсификаторов динамические диспорспые теплоноситоли.

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

5. полутоне к ::спо./ъзсзлн!К дпж'лг-гесхого дисперсного

ных однокомпонантних теплоносителей - наиболее перспективное направление в холодильной технике и технологии. Здось дополнительным резервом в поглощении тепла является фазовый переход между твердсЛ и жидкой фззами.

Исходя из анализа существующих методов охлаждения и замораживания жидкостей и в соответствии с планируемым направлением •. исследований двухфазной дисперсной системы был разработан и собран экспериментальный стсцд, В стенде роалазоваш поада методы получения двух-трзх^дзлшг однокомпоиентнях: -систем откачздай паров до давлония в тройной точке и изложения ультразвуковых колебаний, а также путем наморажиьания твердой фазы на охлаздаемой поверхности и дробления ее с помощью ультразвуковой кавитации, возбуждаемой в жидкости.

В плане решения Еопроса о термодинамической и механической устойчивости этого дисперсного теплоносителя выполнены экспериментальные работы по теплообмену системы вода-лед при наложении внешних массовых сил и движения в трубопроводах. Систематические теоретические я экспериментальные исследования процессов тепло-массопереноса в деух или трехфазных однокомпонентных средах до настоящего времени не проводились. Применительно к трехфазной . . дисперсной среде условием ее равновесия, адяз шоетоянной температуре и давлении является минимальность термодинамического потенциала, что означает неотрицательность приращения его при смещении из состояния равновесия. Для однородной системы последнее мокот быть выражено в гида:

где Ф - термодинамический потенциал; U - внутренняя анергия} Т ~ температура; S- энтропия; Р- давление; V - объем.

Распространяя (50) на неоднородную трехфазную систему с потенциалом Ф= ф(Т;Р- U^H^H^y получим условия существования равновесия одновременно всех трех фаз:

(51)

где - химический потенциал, $¡¿ - количество молей.

Находя из (51) зависимости Ц^ОХо) для г-ндкой, газообразной и твердо": фаз в с.чучае, когда известии в явном виде зависимости J^c'*f(T^tli), можно определить ту область параметров 7о,Я в которой существует равновесная трехфазная система. Эта система может существовать л:пь при опродзлешшх значениях Н п Те Что же касается концентрации С тпордой фазы в спотомо, ю ее значение то.'г.е уссот бить произвольным, Существует некоторое значение концентрации С твердой фазы, при. котором в дисперсной системо, продстгвлпющой собой взвешенные в жидкой фаза частицы твердой фазы, начнутся процессы коагуляции и произойдет разделение всей системы на жидкую, твердую и газообразное составляющие.' В случао отклонения состояния трохфазкой дисперсной системы от равновесия,изменением температуры либо давления па некоторую величину в системе начнутся процессы, стремящиося вернуть а? в исходное состояние, т.е. будет происходить превращение твердой фязы в жидкую, либо обратный процесс.

Использование испаритолыюго охлаждения для' замораживания жидкости связано с определением интенсивности испарения, необходимой для расчета динамики замораживания, а также выбора откачивающих устройств. Скорость образования трехфазной дисперсной системы определяется интенсивностью испарения с поверхности жидкости. Для исследования интенсивности испарения от параметров состояния была разработана специальная методика заключающаяся в следующем. Исходную емкость заполняют исследуемой жидкостью. Затом вакуумйруют приемную емкость. Далое через десублиматор расположенный в приемной емкости прокачивают жидкий азот, сбрасывая его пары в атмосферу, контролируя давление в приемной емкости вакуумзтром, 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 времениперекрывают емкости и через десуб-лиматор от калорифера прокачивают горячий воздух, в результате чего происходит испарение с поверхности десублямировавших паров жидкости."По результатам измерений давления я температуры в про-

цассе десублимацпп п после испаре:1::.т дссублпмата определяют интенсивность испарения глдг.ости но соотпо:".а:'.1та

А} - т\ \ГК

^ ЮЛ Ъ Ъ]> ^ фШ* V Т

(52)

Описанная метод!Г'.ч била прзмопопа для экспорпшктальпого исследования по опрадслзпгга ичтексппности испарения. Результаты отраженл в табл. 2

Таблица 2 • Путем обобщения эксперимен-

тальных данных по теплообмену жидкости с поверхностью получены следующие соотношения:

. - для одноГ^зного потока 025 (53)

Интенсивность испарспля, г/м2.С ¡Давление в камере ¡испарения, р , ! н/м2 !

62 167

. 15,17 230

10,71 270

9,81 340

- для двухфазного потока вода-лед при концентрации

твердой фазы до 20 £

0,25

(54)

- для двухфазного потом вода-лед при концентрации твердой фазы до 30 % р 0

Динамический дисперсны!! теплоноситель с целые интенсификации тсплообмепных процессов может -использоваться в следующих направлениях:

1) замораживание сыпучих пищевых .продуктов;

2) замораживание пищевых продуктов с использованием промежуточного теплоносителя;

2) ингонсифпкацня теплообмена в воздухоохладителях;

4 Эиптеьсификация теплообмена с использованием дисперсного теплоносителя в камерах термической обработки мяса;

5) использование дисперсного теплоносителя е качество промежуточного

для создания дисперсной сродц из воздуха п пылевидных частиц льда предложен воздухоохладитель с псоедос:;;1::хсшпг.1 слоом, а тякко приближенная модель для расчета процесса охлаждения воздуха, конденсации влаги и образования пг.ая в атом воздухоохладителе .

Для составления дифференциального уравнения, описывающего теплообмен в ячейке воздухоохладителя с ПС, представим отдельные процессы е безразмзрно- <рормо.

Пареное теплоты эффективной диффузией твердых частиц по пространству ПС для единицы его объема':

В<Нс

-2 ^В у

сл х

(56)

(57)

(53)

Тепловцдслопня при фазовых перепадах: •

Тепловыделения прп охлаждении единицы объема воздуха в ячейке воздухоохладителя:

Р&-С« Ц ^ ■ НсяТ&х

Перенос теплоты в единице объема ПС:

<Х-атр(в-втр)-Т8х (59)

Топлолрптоки мороз теплоизоляция з ячейке воздухоохладителя незначительны.

Таким образом, дифференциальное уравнение, описывающее распределение температуры по ппсото ячеГла воздухоохладителя, будет яготь вид:

¿'В ¿ЮтгНм

в,

{Г,ЩиЦа<1С , А^ЦНа

А <П1 81

Оно решатся с обичшвт крпввима условиями:

¿Й+п ¡ка-п

которые выражают заданную температуру на входе в ПС, в частности, & -С при £ =0 и постоянство температуры при £ =1, т.о.

с/в/с/^О

Существует п другая возможность создания динамической дисперсной среды как теплоносителя в рабочем объеме камеры охлаждения па подвесных путях.. Это организация г объеме камеры вихревых потопов. В результате создания вихревых потоков, разпоэп-тальпийзше встречные вихри при смешения'образуют общий поток увлажненного не только до насыщенного, по и даже по ре па стенного состояния, т.е. в объеме выделяется влага в виде мелкодисперсной воды пли пыли льда. Организация вихревого воздухорасп-ределенпя в камере неограниченном длины с содержанием па подвесных путях полутуп является сложной аэродинамической задачей.

Современный уровень развития численных методов, мощность и быстродействие серийных Э3.1 позволяют сделать вывод, что почти для любой практической задачи можно (¡оставить математическую модель и провести ее чпелешюо решение.

Для создания камер с вихревой системой воздухораспрсделе-ния были проведены численные расчеты полей скорости и давления в ка.лере неограниченной длины.

Система исходных дифференциальных уравнений, описывающих поля скорости л давления в прямоугольной систем координат имеет

Разработан алгоритм, численная процедура и программа расчета, позволяющие моделировать па ЗП,! динамику воздушных потоков в камере в зависимости от организации вдува и отсоса при различном расположении как самих замораживаемых рядов, так и перегородок отбойных щптое, а также с учетом проницаемости рядов-препятствий (полутуп).

вид:

(61)

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЯЬЗОЗДПЕ, КОИСТРУКТГГЗГПЛЗ РКЕПШ И ЗПЕДРЕПИ холодилъпж ОВЬЗКТОЗ И АППАРАТОВ,

рлботаодпс с якетшгс: даяшяш звешиишеи

Проведенные исследования, направленные на практическое использование динамического диепорспого топлоноснтзля в области холодильной техники и технологии, обобраны и показаны в табл.3

Таблица 3

Области применения динамического дисперсного теплоносителя в холодильной технике и тегпологги

Дннамцчастзи! дисперсии;; теплоноситель

(ДДТ)

Примечание: Области, в которое автор работал

х - экспериментальные исследования хх - конструкторские разработки на лабораторные образцы ::хх -. конструкторские разработки на промыялсшше образцы

В настоящее время существенным недостатком есох существующих систем холодильной обработки мяса в каморах на подвести путлх является относительно низкий коэффициент теплообмена между холодопосятелем а продуктом. Предложена камера замораживания с вихроЕой системой воздухораспроделсния, в которой создаются вихрегые точения е области размещения полутуш мяса па подвесных путях. В рабочем объеме каморы происходит смешение разноэнталь-плйных потоков охлаздающего гоздуха, в результате чего в пом образуется динамический дисперсный теплоноситель. Первая промига-ленная камера- замораживания емкостью 50 т била создана в-1089 году на Алобяноком мясокомбинате Белорусской ССР. Максимальная усуика по говядине 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 воздухораопределения необходима отрицательная температура в течете всего цикла термообработки. Камора с вихревой системой воздухораспроделенпя для охлагдения мяса создана на Слуцком мясокомбинате в 1990 году.

Камера для холодильной обработки мнений полутуш со смешанной системой воздухораспродолшия начала работать на Глобинском мясокомбинате в 1983 году. Процесс холодильной обработки в этой камеро осуществляют следующим образом. Парод загрузкой в камере создают темлературу необходимую по технологической инструкции запуском вентиляторов с поыоцыэ электродвигателей, находящихся за пределам" камеры. Вентиляторы засасывают воздух пз камеры,который по воздухозаборник каналам через воздухоохладители попадает в воздухораспределители со щелями и направляется касательно к шшшй плоскости воздухораспределителя, в результате чего здесь создается погашенное давление. Из грузового объема камеры, загруженного полутутами, за счет конвекции и перепада давлений отепленный п увлажненный поток Еоздр:а направляется вверх к воздухораспределителям со щелями, где происходит смешение потоков. 3 результата суммарной поток становится персиасцдскпш. Визуально это выглядит гак туман при низких температурах в смешанном потоке. В конце воздухораспределителя сметанный поток опускается вниз и направляется вдоль пола ка::.зрн к всаснвакгдсму окну вентилятора. Попав в вентилятор, скесаиинй поток по воздухозаборпому

каналу поднимается вверх и частично черйз рйгузшрующпе заслонки попадает в дополнительные воздухораспределители, -из которых чо-рб'з сопла отдельными струями направляется ениз, .омывая полутуши. • 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 воздухом-распределителей создается пониженное давление.и, как следствие,, возникает дополштельпое горизонтальное течение воздуха е объеме камеры.'Организация в зоне загрузки и выгрузки интенсивного дви— жения воздуха создает защиту от тсплопритоков со стороны загрузки выгрузки.

Следует заметить,■что внутренний теплообмен в полутуше определяется теплопроводностью продукта, величина которой до vo-мента фазового перехода изменяется незначительно. В то же время влагоперенос во многом зависит от структуры поверхности и при появлении "корочки подсыхания" резко снимется, так как резко возрастает коэффициент сопротивления испарению. При интенсивных' методах термообработки начальная температура охлаждающего воздуха играет значительную роль'1 по усушке.

Применяемые в промышленности воздухоохладители имеют большой недостаток. Охлаждение влажного воздуха сопровождается.выпаде ином избыточной влаги на поверхности в видо инея',, слой'ко»-торого, постепенно нарастая, ухудшает" тёплопереДачу,, снижает производительность, увеличивает' аЬЬодшюмйчёское сопротивление.. Робота воздухоохладителя приобретает циклический характер- с чередованном периодов охлаждения воздуха и периодов' оттаивания инея с теплоотводящей поверхности,1 увеличиваются затраты энергии' на выработку холода.

Наиболее перспективным способом предотвращения йнэеобразо— вания и обеспечения непрерывной работы воздухоохладителя с номинальной производительностью является способ с использоваш1ем промежуточного дисперсного теплоносителя, являющегося динамической дисперсной средой. Использование динамических дисперсных сред в качестве промежуточного теплоносителя позволяет но только решить основную задачу - предотвратить инеообразовонпе на теплоотводящпх поверхностях, но также интенсифицировать процесс

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

Псоле проведения лабораторных исследований и констатации, что динамическая дисперсная среда (теплоноситель) можот быть использована как метод интенсификации процессов внешнего теплообмена в воздухоохладителях, лабораторной теплообменник процессов и аппаратов БелШОТШП была разработана конструкторская документация на четыре образца воздухоохладителей.

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

Во время исследований измеряли следующие величины: Нм. к2т - потребляемую мощность от электродвигателя вентилятора посредством ВАТТкстра;

Ъ Т3 Ъ "С - соответственно температуру воздушного потом на входе в вентилятор, на входе и Еыходе воздухоохладителя.

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

Схема изменения температуры воздушного потока по тракту

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

точка 3 - на выходе из воздухоохладителя;

йТ' - температурный градиент от сжатия воздуха вентилятором; ¿Г*¿Г- полезное и общее понижение температуры в воздухоохладителе

Рис. 9

му

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

ЩС^Щс'.Г, (62)

где 0о - теплоприток от работы вентилятора, Вт;

Оа - полезная холодопроизводительность воздухоохладителя, Вт;

/С - коэффициент теплообмена, Вт/м^-К отнесенный к внешней теплообменной поверхности воздухоохладителя определяем из выражения: _

ЧвР-СгАТ

К- —с*т— (62)

I Гц' а /т

где /ь - внешняя теплообменная поверхность воздухоохладителя, м2; =

&Тт " средний логарифмический перопад температуры в воздухоохладителе, К — —

лТ - .

¿п (64)

(Ъ~Т0)

Для оценки энергетической эффективности воздухоохладителя используем коэффициент эффективности /? :

а; ' ОТ

Результаты сопоставления воздухоохладителей с промежуточным дисперсным теплоносителем ВОГТ со стандартным воздухоохладителем ВОГ-250 приведены в табл.4

1=

- Таблица 4

;■ Сопоставлению воздухоохладителей ВОГХ и В0Гг-250

Характеристика

• В01Т ; ¡30Г-250

. ; [ I

Холодопроизводительность, кВт Отномоние холодолроизводительности к ПОТРОблЯСМОЙ МОЩНОСТИ'ЕОНТИЛЯТОрт, кВт/кВт

•Огноизние объема аппарата к-хододопроиз-"-водитзльносуи, м3/кВт

■ 27 27

2,25 3,375

0,09

0,12

ртОтношэшм теплоотзодящей поверхности к .^холодопроизводительности, м^/кВт

1,185 9,26

Какишдно-и-з 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 сравнительные комплексные исследования характеристик мяса при замораживании в камерах с вихревой системой Еоздухораснродаления и системой с внутрика-мерпой регенерацией влаги показали, что замороженное мясо в камерах с вихревой системой воздухораопределения характеризуется повышенными показателями качества.

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 Еажную народнохозяйственную ироблому повышения эффективности холодильной обработки пищевых продуктов, обеспечивающих сникение потерь и сохранение кг.честЕа, а также проблему интенсификации теплообменник процессов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ И РЕ1Ш.!ЕНДА1Щ

1. Предложен динамический дпспсрсшн теплоноситель /ДЛТ/. Экспериментально подтверздена перспективность его использования для интенсификации теплообмена в технологических процессах и аппаратах. Теория и практика холодильных процессов и аппаратов, работающих с ДДТ, 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 спеси дм использования в качестве теплоносителя. Проведено экспериментальное и теоретическое последовать по определению коэффициентов теплообмена ДДТ с поверхностью в области температур фазового перехода.

3. 1"идродннампческие и переносные процессы при холодильной обработке пищег.кх продуктов в ДЦТ и в холодильных аппаратах, работающих па этих принципах, существенно отличаются от процессов, протекающих г псовдоожн;;.'енннх системах при повышенных температурах. Проведено систематической исследование гидродинамики в аппаратах с динамическим дисперсны:.: теплоносителем /с псевдоожижен-ным слоем/ при статических давлениях до 8,1 '.'Па.

4. На основании полученных экспорименталымх данных предложены простые корреляционные зависимости для расчета скорости минимального пссвдоояижсния и расширения псевдоохшженного слоя

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

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

6. Получены экспериментальные данные по теплообмену псевдо-ожиженного слоя крупных частиц с поверхностями при давлениях до 0,1 '/'[¡л. Предложена физическая модель этого процесса и полуэмпирические зависимости для его расчета. На основе обобщения экспериментальных раультатоп предложены эмпирические уравнения для определения максимальных коэффициентов коедуктивно-конвективно-го теплообмена. Установлена зависимость коэффициентов коцдук-тивно-конвективного теплообмена между динамическим дисперсным теплоносителем и погруженной в него трубой от диаметра последней. /'ано соотношение для введения поправочного коэффициента, .

. справедливого в диапазоне давлений до 8,1 '.'Па.

7. Получены новые систематические данные по замораживанию "сычучих" пищевых продуктов в динамическом дисперсном теплоносителе, /ДТ является как са\; пищевой продукт, так и промежуточный теплоноситель, которые обобщены в критериальные зависимости. Определена гра;пща использования каждого из способов замораживания,

8. Па основе представления псевдоожиженного слоя одно([дз-ной гомогенной средой разработана математическая модель процессов тепломассоперепоса в воздухоохладителе с динамическим дисперсным теплоносителем. Выполнены расчеты полей температуры и концентрации водяного па.ра в указанием воздухоохладителе.

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

10. Предложен ряд конструкций технологических установок с ' динамическим дисперсны;.! теплоносителем. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами на устройства и способы.

11. В практику ряда предприятий Белоруссии /олобинский, Слуцкий мясокомбинаты и др./ внедрены предложенные на основе выполненных исследований холодильнне 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 дисперсны;.! теплоносителем и реьчьна важная научная проблема по разработке и созданию высокоинтенсиЕных технологических процессов и аппаратов, имеющих большое народнохозяйственное значение, направленное на экономию материальных и энергетических ресурсов и охрану окружающей среды.

ОсноЕноа содержание диссертации опубликовано в трудах:

1. Гакжа З.Л., Подберезский А.К. О некоторых характеристиках псевдоожижеиного слоя под давленном /Денло-и массопзре-нос: исслздованпя и разработки.-Минск: ПТМО'АН ЕССР,1Э81,-

С.27-31.

2. Бородуля Q.A., Ганжа З.Л., Псдберозсклй А.И. Влияние давления в аппарате на максимальную скорость псевдоожижения //Исследование процессов переноса в дисперсных системах.-»Минск, 1981. - С.24-34,- (Сб.науч. тр./ ИИ О АН БССР).

3. Подберезский А.И., Ледник Л.К. Технологическое холодильное оборудование // Холодильная техника. - 1989. - й 12,-

С. 52-55.

4. Подберезский А.И.Вихревая система воздухораспредэлегия -в каморе однофазного замораживания мяса /Долодилытя техника.-1990. - й I. - С.13-15.

5. Подберезский А.И. Морозильная камера с вихровой системой воздухораспредолепия. Научно-практический опыт в агропромышленном производстве // ВАСХШЛ,- 1989. - й 113

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

7. Подберезский A.M., ЯуравскиЯ Г.И. Теплообмен при течении льдоеодяной смеси /Долодильная техншса. - 1989. - .'{ 3. -С.29-31.

8. Пол.рои. по заявке й 4833669. Воздухоохладитель с псое-доожижепным слоом и разнознтальпийными потоками воздуха /А.И.Подберозский.

9. Бородуля В.А., Ганжа В.Л., Подберезский А.И. Теплообмен псзцдоожижонного слоя в аппарате под давлением //Тепломас-сообмои-71,- Минск, 1980. - Т. УТ, ч. I. -С. 62-G9. - (Сб. науч. тр./мШО.АН БССР.

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

11. Бородуля В.А., Ганжа В.Л., Подберезский А.И. Теплообмен в псевдоояшяонном слое под давлением //Тепло-и массопе— репос:физические основы и методы. - Минск, 1979. - С.'28-31,-

' (Науч. тр./ ЖО АН БССР).

12. Бородуля З.А., Runa З.Л., Подборазский Л.К. Теплообмен полидиспзрспого слоя, псевдоожижоиного в аппарате под давлением // Тэпло-и массоперенос: экспериментальные и теоретические исследования. - Минск, 1980. С. 16-18. - (Науч. тр./ KU,!О АН БССР).

13. Бородуля В.А., Подберезский А.'Л. Топлообмон псевдо-ожиженногэ слоя с поверхностью при повышенных давлениях //Химическая технология. - 1985, - .'Г; 5. - С. 41-44.

14. Ше стахов Н.С., Добряков Т.С., Тараконовскпй A.A., Подберезскг'к А.П., Николаев А.И., Чорненков И.К. Конструкция

и опыт эксплуатации газогенераторного оборудования энергоустановок // Обзорная информация №ИапГ50И.1ЭПЕРГаШ. Сер. Энергетическое машиностроение. - IG86. - Зый. 4. - 50 с.

15. Бородуля Б.А., Подберезский А.И., Камара Т. Скорость начала псецдосжикония сыпучих материалов в вертикальном центробежном аппарате // Изв. ВузоЕ. Сор. Энергетика. - 1984. - К 7,-С.100-102.

16. Бородуля В.А., Подберезский A.IÍ., Камара Т. Унос псев-доожижеиного материала из вертикального центробежного аппарата // Изв.АН БССР. Сер. Физпко- энерг. наук. - 1984. - ffi 4. -

С. 79-82.

17. Подберезский А.И., Камара Т. Псзвдоожижение сыпучих материалов в вертикальном центробежном аппарате // Тепломассо-перенос в аппаратах с дисперсными системами. - Минск, 1983,-с; 124-133, - (Сб. науч. тр./ 1ШО АН БССР).

18. Бородуля В.А., Подберезский А.И. Гидродинамика псевдо-ожикепаого ьолидисперсного материала // Изв. АН БССР. Сер,

Физ.—энерг. наук.- 1985,- С. 28-32.

19. Подберезский А.И. Интенсификация теплообмена в воздухоохладителях с помощью псевдоожиженного слоя // Холодильная техника. - 1990. -JS5. - С. 38-41.

20. Бородуля В.А., Ганад В.Л., Подберезский А.И. Теплообмен псевдоожиженного слоя крупных частиц с поверхностью //проблемы тэпло-и массообмена в процессах горения, используемых

в энергетике. - Минск, 1980. - С. I4I-I57, - (Сб. научн. тр./ KÍU0 АН БССР).

21. ПодбсрезскнП А.И. Теплообмен псевдоожижонного слоя с -пучками труб под давлением // Тспло-п массопаропос: физические основы и методы исследования. - Минск, 1980. - С. 23-26,-

(Сб. паучн. тр./ ИШО АН БССР).

22. ПодборозскнЛ А.И., Рыбчинский В.М., Камара Т. Тепло-1 обмен пссвдоожнжешюго материала в вертикальном центробежном аппарате //¿Латср, УП Всесоюз. коиф. по тепломассообмену, -Минск, 1984. - Т. 5, ч. П. - С. IC3-II0. - (Науч. тр./ 1ГС.Ю АН БССР).

23. ПодберезсгпЛ А.И. Интенсификация процессов теплообмена в холодильных устройствах // Матер, паучн.-практической конф.: Ресурсосберегающие технологии переработки продуктов животноводства. -Минск, 1389,

24. ПодбирезскиЛ Л.И. Дисперсные среды - интоисифякаторы тохнологичаскнх процессов АПК. - !Динск:Бол!СППГШ, IP90. - 56 с.

25. Подберозскми А.И. Теплообмен в воздухоохладителях с циркулируем слоем // Матер. Всссогоз. паучпо-практнческоЛ конф).: Пути иптопся ¡шклцни производства с применением пскусст-венного холода л отраслях АПК, торговле и па транспорте (24-26 октября 1202). - Одесса,'1289.

26. ПодбарозсхиЛ А.П. и др. Устройство для холодильной обработки мясных туп. Пол. рои, но заявка .'," 4G2S4I3.

27. ПодберезскнЛ А.И. и др. Пол. реи. по заявка .',* 45583 07, 1.11-31 Г 25 13/36.

28. Подбср'.'зсг.пП А.И. Пел. рпш. но заявке .'.' 4676121.

29. Botodu&ta. V.A. Ga/глАа V.L. PoctíkmsÁyA.l.

¡uan f>LZi4ui*.5 // ¿их. tfear "¿arj Tldfisfel - /Щ- V.26y N11- f>. ÍS77-/SS4

so. Eciodufyx V.A.t GtmAa V.L, Pod&waÁff A. 7., Hectt ítans/&L ín. ftuidtted fed <ti ¡t¿cA piWuAé. // FCuccuzatcon / Ect. У. & (nace. 3. M. Matwi.- NeurJozfi, London: P&num Pbesi) Pioceecf. al 3ntzzn.qt¿ona£ F£u¿d¿5L<*tüon Cohl (3-8 August 1980) sponsoZed éy. EFCand. УШс7

fMtoJufyiyj GcwtÁa V.L., ßdfowAäl

2%Г llïffîj № tï-CWfk UU^tc¿&¿oM¡

/tanspt - /933. - V.26tN/f.-P.tS77-fS?4

32 èoZadue^ V.A вапхкр V.l., Мк&йкЛЛ, Heat dtanfit fc W Mddcúcj M V padá&s cute* kiùtotiUe Zu&i eft Ugh pressâtes// MJ. tíwf Mass Ransfet. -№4.-427^8.-^ /2/9-/2¿s