автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Процессы и аппараты с вращающимся барботажным слоем для пищевой промышленности

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЩРАЦШ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ рр 5 0Д ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

2 1 А В Г 1995 на пРавах р^0™011

УДК 664.87 : 658.27 663.256 : 533.6

ГОРШЕНШ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПРОЦЕССЫ Я АППАРАТЫ С ВРАЩАЩШ! БАРБ0ТА2НШ СЛОШ ДЛЯ ШЩЕЬОЙ ПРаЗШЕННОСГИ 05.18.12 Процессы, машина и агрегаты пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1995Г

Работа выполнена в Российском заочном институте текстильной и легкой промышленности и-во Всероссийском научно-исследовательском институте консервной и овощесушильной промышленности.

Офиииашше оппоненты: Член-корреспондент Академии Холода РФ,

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Б.И. Леончик

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических нар, профессор Г.Д. Кавецкий

Доктор технических наук, профессор Г.П. Соломаха

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт шщекон-центрзтной промышленности и специальной пищевой технологии, г.Москва.

Защита состоится ¿¿-¿¿<¡1'$ 1995г. ~ часов

но заседании Специализированного совета Д 063.51.05 при Московской государственной академии пищевых производств по адресу: 125080 г.Москва, Волоколамское ш., д.11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " Я 1995г.

Ученый секретарь Специализированного совета д.т.н.,проф.

И.Г.Благовещенский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблем. Организация переработки сельскохозяйственного сырья в. доброкачественные пищевые продукты является важной народнохозяйственной задачей. При этом долкны бить обеспечены высокие результата производства при меньших затратах, ускорен научно-технический прогресс, организовано безотходное производство на базе внедрения достикений науки и техники.

Для ресепия этой задачи необходимо создание новых способов интенсификации процессов тепло- и массообмена, разработка принципиально нови технологических машин и аппаратов с активными гидродинамическими режимами, математическое моделирование процессов и оптимизация их геометрических параметров, а такта внедрение зтих аппаратов в различные отрасли пищевой промышленности.

В связи с этим представляется актуальной разработка тепло- и массообменных аппаратов с вращающимся барботажным слоем, позволяющих эффективно разделять среда после их контакта и обеспечизавдих максимальные значения приведенных коэффициентов тепло- и массообмена.

Повышение эффективности тепло- п массопередачи при движении газовых пузырьков в шдкости в поле высоких центростремительных ускорений происходит вследствие возникащэго в них тороидального течения, а такте вследствие индуцирования интенсивных циркуляционных штоков во вродаодемся слое кидкости при поступательном движении мегфазной границы пузырьков.

Так, например, при характерных для разработанных аппаратов чисел Пекле, равных Ю3- 10*, осредневные по времени числа Шервуда достигают значения 50 и более.

Основные научные исследования диссертации выполнены в соответствии с государственны!® научно-техническими программами: "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК", "Предприятие -2000", Координационному плану ШР Россельхоз-акадешш "Научное обеспечение отраслей АПК" и др.

Целью работы является разработка процессов и аппаратов с вращающимся барботажным слоем и .реализация с 1а помощью высокоэффективных технологий переработки сырья для различных отраслей пищевых производств (экстракции биологически активных веществ из растительного сырья; детартращш соков и вижштериалов; асептического консервирования ищш и тореобразных продуктов; выпаривания водных растворов соков, томатной пасти, повидла, джема и др.; десульфитации; деаэрации; тепловой к фазовой регенерата! масла в обзкарочных печах).

Для достижения этой цели на основе системного анализа решались впервые следующие задач!!:

- теоретическое и экспериментальное исследование основных процессов гидродинамики и тепло- к массообыена при пузырьковом течении газа во вращающемся слое жидкости;

- теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамических процессов при двухфазном закрученном течении (газ-капли жидкости, образующиеся при барботаке в поле центробежных сил);

- на основе вышеуказанных исследований, создание математической модели для расчета на ЭВМ оптимальных конструкционных параметров аппаратов с вращающимся барботажным слоем; '

- разработка высокоэффективных аппаратов с вращающимся барботажным слоем для реализации вышеупомянутых технологий в пищевой промышленности.

Научная новизна заключается в описании основных закономерностей гидродинамических и тепло- я массообменных процессов при пузырьковом течении газа во вращающемся слое ¡щкости (20<3/^600), а также - при течении закрученного двухфазного потока (газ-капли жидкости, образующиеся при барботаке в поле цектробекных сил). Впервые получены следующие результаты:

- предложены физико-математические кодзм гидродинакмческих процессов при вдуве газа и течении его во враиашзмся слое кидкортя для определения отрывного диаметра пузырьков, частоты их отрыва, скорости подъема га?ового цузыська и гидравлических

потерь полного давления газа при его барботировании через вращающийся слой жидкости;

- разработаны математические модели, описывающие теплообмен между растущими в жидкости и всплывающими в ней газовыми пузырьками, в рамках модели сферического вихря Хилла, позволяющие получить распределение температур по объему пузырька для различных критериев Пекле и Фурье, зависимости для локального и среднего критерия Нуссельта от критериев Пекле и Фурье, а также зависимости средней температуры газа в пузырьке от критерия Пекле. Результаты вычислительного эксперимента согласуются с экспериментальными данными полученными автором;

- экспериментально получены зависимости отрывного диаметра пузырьков, частоты их отрыва, скорости свободного всплытия пузырьков во вращающемся слое жидкости (вода,глицерин) для различных газов (аргон, азот, гелий, ...) от основных параметров аппарата с вращающимся барботакным слоем (диаметра питающего отверстия, скорости вдува газа, частоты вращения и т.д.);

- измерены профили скорости и их пульсационные составляющие закрученного газового потока в канале модельного аппарата с вращающимся барботажным слоем, а также получены функции распределения капель жидкости по размерам.по сечению канала и вдоль по потоку этого аппарата;

- получены теоретические зависимости для определения среднемассо-вых температур газа и жидкости на выходе из аппарата с вращающимся барботажшм слоем, результаты расчета по которым адекватно коррелируются с экспериментальными данными автора;

- на основе результатов экспериментального исследования получены (теоретически) критериальные зависимости коэффициента гидродинамического выноса и критического режима работы аппарата с вращающимся барботакным слоем от основных его параметров.

Практическая ценность работы. Разработаны научные основы теории тепло- и массообменных аппаратов с вращающимся барботакным слоем, созданы алгоритм и программа расчета для ЭВМ.

На основании выполненных исследований предложены и разработаны конструкции высокоэффективных аппаратов с вращающимся барботашш слоем для пищевой промышленности, защищеннные авт.свидетельствам к патента® Российской Федерации:

- для разделения кидких фаз;

- тепловой обработки сред (бланширования, пастеризации и • стерилизации);

- выделения солей винной кислоты из виноградного сока;

- регенерации отработанных растительных масел;

- экстрагирования ценных компонентов из растительного сырья;

- удаления нежелательных запахов и консервантов и др.;

Под непосредственным руководством автора изготовлен С02~ детар-тратор и внедрен на Одесском опытном консервном завода.

Освоено промышленное производство С02- экстракторов с активным гидродинамичесюш решим на предприятии НПФ "Тарома" (г.Тамбов). Такие екстракторы успешно эксплуатируются на консервных заводах Ш "¿пирами" и АО "Ширин" (Тадаикистая.г.йсфэра;. Апробация работа. Основные результаты работы докладывались на:

- XIV симпозиуме "Тепло- к массопередачл во вращащихся аппаратах" (г. Дубровники .Югославия 1932г.);

- на III Всесоюзной научно-технической конференции "Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстильной промышленности и производства химических волокон" (г.Москва, 1989г.);

- XVII научно-технической конференции РЗЯТЛП (г.Москва, 1992г.);

- Межреспубликанской научно-технической конференции "Интенсификации процессов химической технологии"/'Процессы 93"г.Ташкент,1993;

- IV Международной конференции "Методы клнербеткки в химико-технологических процессах" (ЮТЫ, г.Москва, 1994г.);

- Международной конференции "Научно-технический прогресс в пищевой промышленности" (г.Москва, 1995г.);

- научно-техническом совещании "Псвылегше эффективности переработки отечественного льняного сырья" (г.Москва, 19Э£г.)

- Международной конференции "Экология человека:Лицевое технологии

и продукты" (г.Пятигорск, 1995г.;

- заседаниях Учет Советов Российского заочного института текстильной и легкой промышленности и Всероссийского НИИ консервной промышленности (1990-1995г.).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертащш, опубликованы в 42 печатных работах, в том числе 16 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Объем и структура работы, Диссертационная работа состоит из введештя, б глав, выводов, списка литературы и приложений, включает стр. машинописного текста и ЛЗД.. рисунков.

Содержание работы

В основу изложения каждой части диссертащш, как и всего материала в целом, полокен системный принцип, ориентирующий на последовательный, постадийннй поиск конкретных механизмов целостности изучаемого объекта и выявлении типологии его связей.

Первад глава. В диссертации дан аналитический обзор современных исследований по интенсификации процессов тепло- и массообмена, математическому моделированию и оптимизации известных технолочес-ких аппаратов с активными гидродинамическими режимами. Показано, что использование известных методов интенсификации приведенных в работах В.!,!.Кейса, А.Лондона, В.Г.Левина, В.К.Кошкина и др.: перемешивание и закручивание потока, применение шероховатых и развитых поверхностей, оребрэкие, добавление в теплоносители примесей, вибрацию поверхностей тепло- и массообмена, использование электростатических, электромагнитных и аккустических полей, вдува и относа теплоносителя в пограничный слой и т.д. увеличивает тепловую и массовую производительность единицы тепло- и массообменного оборудования, но сопровождается, как правило, экстенсивным ростом площади поверхности тепло- или массобмена, размеров, массы и стоимости. Среди аппзратов интенсивной тепло- и массопередачи в пищевой промышленности вадае место могут занять предлагаете в настоящей работе вращающиеся тепло- и массообменые

барбота*аше аппараты, позволяющие эф$ективно разделить среды после их контакта в поле центробежных сил.

Для решения задачи моделирования и оптимизации процессов и аппаратов с вращающимся барботакным слоем в диссертации дан анализ фундаментальных теоретических основ синтеза тепло- и массообменных аппаратов и их систем, выполненных в работах В.В.Кафарова, В.Л.Пз-рова, В.П.Меиашша и др.

Анализ приведенных работ позюлил сформулировать задачи оптимизации конструкционных параметров аппаратов с вращающимся барботаж-ннм слоем и определить метода их решения.

Рассматривая общую стратегию, системного подхода для построения математической модели физико-химической системы, в которой происходит движение газовых пузырьков в сшюшюй адкой среде, выделяется пять ступеней иерархии системы. Причем, третий и четвертый уровень иерархии системы рассматривает свободное и стесненное дви-кение газовых пузырьков в сплошной среде соответственно, а пятый уровень иерархии составляет совокупность явлений,определяющих гидродинамическую обстановку на макроуровне всего аппарата в целом.

На основании методологии системного анализа поставлена цель и определены задачи исследования.

Вторая глава.

Диаметр пузырьков и частота щ; отрыва во вращающемся слое вдкости. Эффективность аппаратов с вращающимся барботагшш слоем в большой степени определяется структурой газокидкостного вращающегося слоя и процессами образования, всплытия, дробления и слияния пузырьков в жидкости. Большое влияние на процессы тепло- и массооСмена имеет величина поверхности контакта фаз, которая определяется размерами пузырьков.

Опубликованные работы Д.Кревзлена, В.Нейеса, В.Харда, Дк.Клинга и др., в основном, посвящены исследованию гидродинамики образования и всплытия пузырьков в поле гравитационных сил. Однако, как показал проведенный в работах [11,39] анализ зависимостей для отрывного диаметра пузырька и скорости его подъема, рекомендовать какие-либо из них для нашего случая затруднительно, т.к. они не учитывают в явном виде центростремительное ускорение 3.

Для получения теоретической зависимости, описывающей отрывной диаметр пузирьков во вращающемся аксиально текущем слое жидкости рассмотрим силы (рис.1), действующие на отрывающийся пузырок газа. Момент отрыва пузырька от питающего отверстия соответствует нарушению баланса следующих основных сил: Р.,- сила динамического напора газа, втекающего в полость пузырька ; Р2- подъемная сила ; Yy сила гидравлического сопротивления , действующая на пузырек со стороны жидкости; Р4~ сила гидродшшяпеского напора аксиального течения кидкости; F^- сила, связанная с эффектом присоединительной массы; Pg- сила поверхностного натякения; Р?- сила шля тякести. Силами Р^, Pgf fj мокно пренебречь в виду их малости.

Таким образом, в системе координат, связанной с центром питающего отверстия, на растущий пузырек газа действуют следующие основные силы:

Нами показано, что скорость движения жидкости вблизи пузырька однозначно связана со скоростью газа в питающем канале следующим выражением:

Отрывной диаметр пузырька в общем случае зависит такке от

критериальных симплексов и Н^/йд , определяющих

геометри- ческш характеристики системы. Однако, если использовать

аппараты с достаточно большим радиусом, мокно исключить из

рассмотрения симплекс В /(2<Ь,).

ви и

Экспериментальные данные, полученные каш, показывают, что при числах Рейнольдса, определяемых по скорости всплытия пузырька, равных 10г- Ш4 коэффициенты сопротивления С1 и С2 практически

(4)

(3)

(1) (2)

(5)

Рис. 2. Модельная экспериментальная вращающаяся барботажнал

камера для исследования свободного движения пузырьков.

постоянны [1,2,11,391. Таким образом, зависимость отрывного диаметра пузырька от определявших комплексов можно представить в следущей форме: ?

г г и0 Р, ^г 1

Анализ баланса сил гдатодаи теории подобия приводит для частоты генерирования к следущей критериальной зависимости:

Для установления количественных зависимостей, характеризующих влияние контролируем параметров вращающихся барботажких аппаратов (диаметр и густота питающих отверстий, расход газа, физические свойства газа и жидкости, частота вращения аппарата, высота барбо-такного слоя) па отрывной диаметр пузырьков и частоту их отрыва, для получения конкретного вида зависимости (6) и (7), были созданы экспериментальные модели вращающихся барботаишх аппаратов.

Экспериментальная модель для исследования свободного движения пузырьков во вращающемся слое гадости представляла из себя вращающуюся шиндрическую камеру с прозрачными торцевым! стенками Газ подавался во вращающийся слой жидкости с помощью двух форсунок расположенных на периферии камеры (рис.2).

Экспериментальная установка для исследования стесненного движения пузырьков состояла из модельной вращающейся камеры, систем питания жидкостью и газом, системы измерений расходов газа и жидкости и электрической системы питания и регулирования (рис.3).

Экспериментальная камера - консольно подвешенный на двух подшипниках вращающийся полый цилиндр с одним открытым торцом. Внутренняя часть цилиндра набиралась из нескольких секций. Каждая секция имела перфорированную боковую поверхность с определенным диаметром питающих отверстий (с^ 0.3-10 кгл) и шагом между ними и 4; 6;8 мм. Внутренний диаметр секций-120 и 95 мм. Различные комбинации секщй позволяли менять число питающих отверстий от 40 до 3600.

Езиеяоше размеров дисперсной фазы и структуры течения врадзю-ЦОГОСЯ 53р?ОТЯруемг<ГО СЛОЯ (рис.4) фККСКрСБЗЛОСЬ ПОСрОДОТЬЛМ око-

5 5а/>/юн0&

Р - 150отр

ёосод &одЫ иъ Ъо/!/!оинои сис-ЪгрЬ:

бхоа 1050

Рис.3. Лриниипиальная схема экспериментальной

установки для исследования стесненного движения пузырьков.

.-.у. • ; •

ГС ^ГГХ ■ " „V 20

^^■•¿¡■¡¿¿я-Ьгагм....... •_•■ 1

Рис. 4. Кинограмма

вращающегося барбо1 | = 4'ЮЛ); ¿<,=0,1 ... Квгс<2000 ; 1£„= в) м/с

Л5

вращающегося барботажного слоя зода-воэдух-«¿в=0,5^Ю м; ^ = 642 м/с5 ;!

р(Л,10,Л/

о а ф 5"

nê

хд •е

AM A3 * U о К

■ to

â.

О

4ÍL

4

S

_!_1_L_J_

л?

3¡¡?

13

Рис. 5. Вшадшо олредечя:.^":: napcMûvpoa !;a д««т.*с?1> orpr^j,ур-

гося пузиря: a - 1'слпл-Еода, dn - 1,52.10'

a.t =-. 25.I0"3ÍJ, p.., = 14,7.1£Г4Па, ~ G ~ (0,13-0,41) .I0~ó:v¿/c ; б ~ гелий-вода, Уп - 1,52.Ï0~3;.i, u>\: ISI с"1, H... = 25.ÍÜ"3;;,

A,,

LO - IX С - ,

p,t = I9.I0"4IJa, ■ G = (0,14-0,41).I0-Ji;r/c ; d - го-ч^-иода,

i — Т КО ТЛ"_ ОГО Л—1 п Orr m-3, , , оо JQ—'j7o

О

d 0 = 1,52.10"°«, ^ = 210 с"1,' К... = 25.10"3и,

G = (0,27-0,41) .1С"3ег/о„; г - гелкй-вода, с/0'= 0,5ТД0"3п,

128 с , H,, = 25.10 м, р.. = ГЗ.З.ПППа, G = (0,019-0,057).

-3

.10 Зю?/с ; д""- гелиП-вода, "dn = С,51.10 .л, ю - 210 с~Г

О Л О г^

Ед = 25.10 il, р s 21.10 Па, G = <0,025-0,OSO.IGTV/o

азот-вол?., ci г, = 0,51.10*

3..,

í</ = 131 е"

H

¡5.10"

ч — и • • s¡ ЗС ---

р.. = 14,2.10"%, G = (0,02-0,053).10" кг/f^ ; = - азоу-копа, ' cf0 = 0,51.10 м, 205 с-1, H... = 25.IQ r.i, p.,

2o,3.io~-m!

G= (0,036-0,054).Ю'^кг/с ; о -"аргон-вода, сГ0" = 0,5I.I0~3".,

м>= 138 с"1, ÎI..J = 25.10~3u, I-i,5.10""iíí3, G = U,G32.IffAi'/c;

5c-í,

P„.

гелкй-водп. J и - 0,30.10"

14, -.i, ui = II

10,9.10" Tía, G =0,0ï5.I0~oui1/iJ -i-З,

нж = 13.10"

ro;iKÎi-Bûna,

ci,

0,30.I0"JM,o с</ = 115 o~A, йу, = ГЗ.шЧп, !>.,. = Ю,9Л0"'!ПЛ,-' G = 0,018Л0~3:сг/с ; I - ¿o ~ 13G с"-; 2 - ISI; 3 - 210; 4 - 128; 5 - 210; 6 - 131; ? - ЛОо; С - 138; 0 - a»*. J£S

*NJ

fe

•■о •а-

iT

к

<

M ■с -«г • •

< • »

с <1 /о /»о- «» с» « ?

с ü

ч

i < S* •»у

о Оо<г ? . о

s •

M О

ri

СЭ '

CD'

сэ"

CD Сч/

о

II #

с», а

ё

<0 I

е-.

Or—-,

£

gill

S-i t.. ^

№

со о

к

¿3

а*

g.

X

« Ж

<3i

с> ео

<у

Ч-'—V

К

S'ait» О)

п;

I I I. 5ооо

« Су t J ÍJ

о

â о

Е »

£1

о

г

ростной киносъемки кинокамерой СКС-1М со скоростью 3000-1000 кадров в секунду. Диаметр пузырька определяли непосродетвеннич измерением поперечного размера на фотостоле, а объем пузирька находился графическим интегрированием. Максимальные погреаносгн при этом составили Ь% .

Динамическая вязкость яидкостп в указанных экспериментах изменялась от 0.02 до 8.5 Па с, изменение плотности газа происходило в интервале от 0.19 до 1.3 кг/м3, диаметра питающего отверстия ^ от 0.32 до 1.51 мм, высота юшого слоя Н^ - от 5 до 40

мм, скорость вдува и„- от 30 до 200 м/с, центростремительное уско-^ б ?

рение 3 - от 10^ до 10 м/с и скорость аксиального течения жидкости от 0 до 0.5 м/с.

Полученные наш экспериментальные зависимости отрывного газового пузырька в поле центробежных сил для различных газов (гелий, азот,аргон) от давления Р*£, угловой скорости и диаметра питающих отверстий приведены на рис.5 [1 П.

В результате обработки экспериментальных данных, проведенной по методу наименьших квадратов на ЭВМ, критериальная зависимость (рис.6) для определения отрывного диаметра пузырька имеет вид

± . о.еа Г -1 ]°'"(1-о.оо0125 »,

- для частоты генерирования пузырьков (рис.7)

43 О х пк

Скорость подъема тазового пузырька во вращающемся слое жидкости Анализ результатов скоростной киносъемки показал, что движение пузырьков через слой вращающейся жидкости носит существенно нестационарный характер: скорость всплытия максимальна в момент отрыва и заметно уменьшается по мере приближения пузырька к свободной поверхности вращающегося слоя. Кроме того, пузырек при всплытии изменяет свою форму и размеры: его объем растет в соответствии с уменьшением гидростатического давления в окружающей жидкости, а форма изменяется от сильно вытянутого в направлении всплытия эллипсоида вращения в момент отрыва до слегка сплюснутого сфероида

ВОО

с оо

400

Р,С1 л/П 95/Щ(1с\пл03 {ТЛгНг^Кех,

л а й с/7, ОЬ/ 0С \

Л ^оо □

< 3 ш

^00 /200 2000

Рис. 7. Зависимость для определения частоты образования пузырьков оо вращающемся слое жидкости

д - аргон-вода о - азот-вода

О - гелий-вода 7 - аргон-вода

о - озот-глиперин В - гелий-глиперин

т

Рис. 8. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета для систем азот-вода (а) и аргон-сода (6):сплошные

-А.

линии - расчет при п=2,о 10"3м; I-с1о=0,51 Ю~3 "и; СЛ =131 сек Н^Б-Ю-Л; р = 0,108 м ; Р*х ^.б'Ю^Па ;

г - до =0 ,Ы 10~эм = 133 сек"'; Нк =25 КГ3 м ;|3= 0,108 м ; р*х = 24,3 Ю-* Па ;

3 - аи 0,51 Ю-3 ; ^ = 13В сек"' ; Нж =25 Ю-3!«, ; р = 0,10В н ; Рвх = 24,2-Ю""* Г1а . Цифры на расчетных кривых означают величины коэффициентов сопротивления {

вблизи свободной поверхности вращающего слоя, что вызывает дополнительное торможение пузырька 1111.

Уравнение движения одиночного пузырька в поле центробеишх сил монет быть представлено в следующем виде:

V ШГ * 2(ра~ = С-г^ (,0)

Если предположить, что коэффициент сопротивления ¡.'.ало зависит от скорости движения, и на всплывающий пузырек не оказывает влияние питагщее отверстие, то решение уравнения (10) будет определяться следующим выракением:

Так как в реальном аппарате расстояние И на порядок превышает г, выракение (11) моею представить в следующем виде:

где 3=ягН - центростремительное ускорение,

х - численный коэффициент, определяемый соотношением

х = (ЗС^/бГ0,5 , (13)

гекв ~ ЗКВИВ8Л9нтаый радиус.

Для получения численного значения х экспериментальные данные были обработаны в форме критериальной зависимости ид= Шг0КВ)' Результаты обработки показали, что скорость движения пузырька в широком диапазоне значений центростремительного ускорения '

и эквивалентного радиуса пузырька пропорциональна корню квадратному из произведения Згвкв. Экспериментальное значение х составляет при этом приблизительно 1.43 .

Таким образом, моено записать ип = 1.43 / 3£кв . (14)

Полученные в работе экспериментальные профили свободного подъема пузырьков газа во вращающемся слое кидкоста хорошо согласуются ' с расчетным!. Сравнение расчетных и экспериментальных данных (рис.8) показывает, что расхождение не превышает 6% 111). •

Расчеты показали также, что в интервале чисел Рейнольдса 10210* коэффициент сопротивления постоянен и равен приблизительно 1-2. Указанное значение коэффициента сопротивления хорош соп.з-

суотся с асимптотическим постоянным значением, соответствующем тому ко интервалу чисел Рейнольдса и Вебера для пузырьков, движущихся в гравитационном поле, что связано, по нашему мнению с сохраненном ^орьгы пузырьков под влиянием внутренних циркуляционных потоков, которые болза интенсивны в случае движения пузырьков в поле центростремительного ускорения.

Ш112 потерь давления во вращающемся слое едкости. Результаты расчетного и экспериментального исследований проведенных в широком диапазоне изменений скорости газа в питающих отверстиях решетки 20-120 м/с и частоте вращения аппарата п = 1000-2000 < .,мкн показал;! (1,101, -что потери полного давления газа при его барботировзшга через вращающийся слой жидкости ¿Р^^ могут быть приняты равными перепаду давлений, обусловленному действием центробежных сил: о 0% (Б - Н )

^ 4 2 ЕН ^ ' («.) где р^» 2рг+ (На)р£, .

Третье глава.

Математическое моделирование тепло- и массообменных процессов при лшщеши газовых пузырьков во вращающемся слое кидкостк.

Процесс конвективного тепло- и массообмена при образовании и движении пузырьков газа во вращающемся слое жидкости описывается уравнением тепло- массообмена на границе сред, уравнением энергии, уравнениями движения сплошности со сложными условиями однозначности. Реиенке высеуказанной системы уравнений численны?® методам в настоящее время связано с большими трудностями.

Поэтому имеются решения только для отдельных частных случаев. Так Л.Джонсоном и др. методе?/, конечных разностей решено уравнение нассопчредэчк с использованием функции тока Адамара- Рыбчшского ■ при граничных условиях первого рода для жидкой капли с внутренним циркуляционным течением (при числе Пекле < 60).

С'.Гарпэром, С.Бувыоном и др. теоретически определено влияние внутреннего циркуляционного течения на интенсивность переноса массы от о)>эрическкх частиц килкости (число Рейнольдса < 1) и вычислен козЭДкщкнт массообмена непрерывной фазы для, систем шкость-кпдкость и газ- жидкость. Псказ'ш, что с уменьшением числа Пекле

влияние циркуляции на массообмен уменьшается и почти полностью исчезает при числе Пеклэ < Ю-2. При больших значениях числа Пекло 10г) число Шервуда равно

БЬ * 0-978 Ре1/3 (16)

Результаты расчета показали такие, что при числе Пекло равном 10* циркуляция внутри пузырька газа увеличивает интенсивность мзс-сообмена примерно втрое по сравнению с массообменом в пузырьке газа без внутренней циркуляции.

В диссертационной работе предложена математическая модель нестационарной теплопередачи меаду сферическим газовым пузырьком, движущемся в неограниченном объеме маловязкой жидкости при высот значениях критерия Рейнольдса, основанная на предположении: сопротивление переноса тепла сосредоточено целиком внутри пузырька, а распределение скоростей газа в сферическом пузырьке, описывается сферической вихревой функцией тока Хилла [121

у= )г2э1ле (17)

В рамках предложенной модели уравнение конвективной теплопроводности может быть записано в виде

где. 7Г= - 4- ип (1- )со39 , (19)

Уа»

е~ т

Гп (1- ^вШв . (20)

В уравнениях (18)-(20) полярная ось предполагается направленной в сторону, противоположную направлении движения пузыря; ип и Ип обозначают соответственно скорость всплытия пузыря и его радиус (форма пузыря считается сферической, изменение объема за счет теплопроводности не учитывается). Распределение скоростей, описываемое формулам! (19),(20) может быть получено из известного распределения Адамара-Рыбчинского, если в последнем произвести формальную замену Ш /{1+ц)ЬЗир, где'II - скорость свободного движения пузыря в поле силы тяжести при числе Пекле <<1, т.е. в режиме без-

б - Ре = 250 , Ти = 0,411 ; в - Ре = 1000 , Т* = 0,693 ;

Рис, 9,.. Изменение поля температур в меридиональном сечении пузырька в зависимости от числа Пекле дяя фиксированного момента времени 0,01 :

Ъ-То

30

ш

¡>.02 0,0Ц а 06 0,0 в Рис.12. Зависимость Рис.10. Зависимость сродно!! по

асимптотического значения числа объему пузырька безразмерной йуссельта от числа Пекле: температуры от критерия Оурьо

о - по данным Ф.Гарнера.С.Ьуемана для различных критериев Пекле. И др. .

Рис. II. Зависимость локального числа Мц от времени для различных чисел Пекле: 1-Ре=0; 2-20 ;3-80 ; 4-250; 5-500;6-1000 ; 7-4000 ; 8-8000; 9-10000 ; 10-15000 ; II-Ре = 100000 .

отрывного обтекания, ц - отношение динамических вязкостей дисперсной и сплошюй фаз. По этой причине решения уравнения конвективной теплопроводности, соответствующее полю скоростей Ада-карэ-]Рыбч1шского и полю, описываемому формулами (19), (20), не будут формально отличаться друг от друга, если числа Пекле для ука-заншх гидродинамкеских режимов' определить как Реар= 11^^2(1+^) и Ро = 3(у^2а. Уравнение (18) решалось численным методом по неявной конечно-разностной схеме при следующих краевых условиях:

Т(г,е,о)= т0; Т(и,ед)= т^, Т(о,9Д) < «; Л!^ __ Л^ЬИ. = о . (21)

Результата репенкя представлены в диссертации в виде распределения температур по объгму пузырька для различных значений критериев Пекле и Фурье (рис.9), зависимости средней безразмерной температуры газа от критерия Фурье (рис.10), а такке зависимостей локального значения критерия Нуссельта от критериев Пекле и Фурье (pic.11).

Результата вычислительного эксперимента хорошо совпадают с расчетными данными вышеуказанных исследователей в интервале критериев Пекле от 0 до 80, как по зависимости средней температуры от времени, так и по локальному критерию Нуссельта. Расчеты, проведенные Л.Дкоксом, Ф.Гарнером и др., были основаны на применении явной конечно-разностной схемы, которая, как известно неустойчива в окрестностях центра каши и пузырька, поэтому результаты этих овтороз, полученные для условий безотрывного рекима обтекания капель и пузырьков, ограничены малыми значениями критериев Ройюльдса, Пекле и Фурье. Причем, значения локального критерия Нуссельта для критерия Пекле больше 80 значительно меньше значений, полученных нами, и с ростом числа Пекле асимптотически приближается к кривой соответствующей модели Крошнга-Ериккз. По результатам нашего решения при числе Пекле > 80 критерий Нуссельта продолжает возрастать с ростом числа Пекле и толст на постоянное значение равное примерно 50 при числе Пекле разном 10' (рис.12).

Математическое моделирование тепло- и кассообменных процессор менду кидкостьи а растущим в ней газовь'м пузирьксм. Результаты большого количества экспериментальных работ А.Поравяча, Дж.Ленгеса, Р.Грпфиса и др., посещенных исследовании нестзц;;онэр-них тепло- и массообменных процессов, протекавших в гидродина:/.и-чески. нестабшшзировшных условиях, свидетельствуют о том, что процессы к'.екфазного обмене в период образования капель игл пузырьков могут быть весьма существенными. Показано, что степень прогрева, достигаемая за время образования одшочной кзплп, составляет более 203. Такой не порядок имеют значения коэффициента извлечения при экстракции одиночными каплями.

В системе вдкость-здкость нами предлокена математическая модель нестационарной теплопередачи в фазе роста одиночного газового пузырька, инжектируемого в жидкость, основанная на следующих допущениях: распределегае скоростей газа в пузырьке, имевдим сферическую форму во все моменты времени, описывается сферической функцией тока Хилла; эффект перемешивания газа в пузырьке учитывается путем ЕЕедения в уравнение конвективной теплопроводности (Фурье-Кирхгофа) распределенного стока тепла, интенсивность которого пропорциональна локальной степени охлаждения газа в пузырьке, осуществляется поступающими холодными порциям газа [12].

В рамках сформулированных выше предположений уравнение конвективной теплопроводности в сферической системе координат с началом в центре растущего пузырька и с полярной осью, направленной противоположно направлению вдува газа, может быть записэно в виде:

* В - Я ♦ Г-3* - т13 ■ 3 * о.®>

где 0 = 0 Ср(Т - Т0) / И , (23)

Рис. 13, Изменение ВО йрОМСН*' числа Нуссельта,сродней но объему ny3up1.ua безразмерной температуры, теплового потока , числа Пекле и радиуса пузырька при постоянном и переменном расходах газа,вдуваемого р полость растущего пузырька ПХ = 0,4; к =0,64-10'* ; = 1.Ц9 хг/м3 ; «-Л.^-КГ5 и/с ¡С =0,0245 ;

I кг/о; С£= 12,8 м/с ;

I: - в =0,64 "Ю"^''кг/с ; К--- 63-¿"'V«

Изменение средней' по объему пузыря безразмерной температуры газа до'момента отрыва,характарязуемого Ъксперимёитальной точкой Кт.ч0,4; теплопроводность д=1,22* 10"Г мг/сек) :Д-£эО,64'1и^'! кг,6 к ^0,64-00245; б- £»6,52; Ю'^'кг/сек; I -0,52 10*?-£^.=0,0313; в-/? =0,193-Ю"4-^*кг/сен; /с -0,193-10*;: ,£"(>//=•0,06

^_^

у-—

Рис. 15. Перекрестноточная схема дшгаения теплоносителей в аппарате с вращающемся Оарботакннм слоем.

Уравнение конвективной теплопроводности при соответствую?!! начальных и граничных условиях было реиено численно локально-одномерным методом с использованием неявной контуро-разностной схема Самарского для несакосопряштого эллиптического оператора.

Задача решалась в предположении, что тепловое сопротивление сосредоточено в газовой Фазе. Это предположение оправдано в случае достаточно большой скорости внедрения растущего пузырька в жидкость. В этом случае уравнение (22) ютю было решать при следующих краевых условиях

Т(г,9,0)= Г0; (26)

Т(Н,еД)=Т1; (27)

ЖГ^М) = -¿^¡¿Мк , о (28)

При расчетах конвективной теплопроводности внутри растущего пузырька модели сферического вихря Хша было принято также, что скорость газа в центре пузырька равна скорости вдува. Это предположение справедливо лишь в том случае, если мокно пренебречь эффектом торможения вдуваемого газа за счет вязкой диссипации.

В результате численного решения было • найдено распределение температур в полости пузырька в различные моменты времени, зависимости критерия Нуссельта, средней по объему пузырька безразмерной температуры, теплового потока, критерия Пекле и радиуса пузырька от критерия Фурье при постоянном и переменном расходах вдуваемого газа (рис. 13) .:.

Результаты экспериментального исследования теплообмена [13,16], полученные на системах "вода-гелий" и "вода-азот" удовлетворительно согласовались с расчетными результатами (рис.14). Это позволяет считать, что предложенная модель может быть использована для описания процесса теплообмена между вдкостыо и растущим в ней газовым пузырьком [28,38].

Моделирование тепловых процессов при течении газа в канале аппарата с вращающимся Оарботзкным слоем. Из анализа результатов вышеприведенных исследований следует вывод, что практически полным прогрев газа до температуры жидкости происходит при числах порядка * 5x10"2 (рис.1У).

На основании вышесказанного можно преположить, что температура

Рис. 16. . Зависимость температуры воды , воздуха и силиконового масла невыходе, из • аппарата от расхода воздуха - расчетная кривая; ,

кидкостя во вращающемся барботагшом теплообменнике изменяется только в осевом направлении, а в радиальном направлении происходат выравнивание температуры из-за интенсивного перемешивания кидкости при небольшой толщине барбогажного слоя (Н,/«^» 2).

Рассматривая перекрестно-точную схему теплообменника (рис.15), запишем баланс тепла с учетом фазовых превращений для элементарного объема барботажного слоя, заключенного мевду двумя плоскостями, перпендикулярными оси теплообменника и отстоящими друг от друга на расстоянии йх

<11

• Ср.г<Т*-Тг.вх>МХ^ + ГпаРМ*№ = ^ПйГ <29>

после преобразований получим следуще'е дифференциальное уравнение:

+ —-= -—СО---СО (,50)

ТЕ В К я я

При равномерном распределении расхода газа по длине аппарата

, вводя среднюю по длине теплообменной зоны величину

^=5 /I „ решение этого уравнения будет иметь вид:

С с„ 0. „(5,

Тж.в*-Тг.в** ^ +Тг.вх" Нг К ) <31)

р • * г

Из теплового баланса получим формулу для определения средне-массовой температуры газа на выходе из аппарата-

С Ч

' -¡ЬН1-^'-™ И . 1321

Результаты экспериментального исследования теплообмена в модели вращающегося барботакного аппарата приведены в работах (5,6,26,271 в виде зависимости температуры теплоносителей (воды и воздуха рис. 16 и силиконового масла и воздуха рис.Ш) на выходе из аппарата от расхода воздуха.. Из этих графиков следует, что расчетные данные, полученные по формулам (31) и (32) удовлетворительно согласуются с экспериментальными. Различие мевду ними не превышает 6% .

Таким образом, из вышеприведенных результатов следует, что для ' перекрестноточной схемы движения теплоносителей среднемассовые температуры газа и жидкости на выходе из вращающегося барботакного . аппарата могут быть определены по приближенным формулам (31) и (32), полученным с учетом фазовых-превращений.

Четвертая глава. Одной из главных проблем, определяющих эффективность работы аппарата с вращающимся барботажным слоем, является капельный вынос ищого теплоносителя.

Исследование турбулентного течения газа в центральном канале аппарата. Течение газа в центральном канале вращающегося барботакного аппарата изучалось визуально и путем измерений параметров турбулентного течения газа [14]. 1

Визуализация течения газа в выходном сечении канала осуществлялась при помощи дымообразующих газов и легких шелковых нитей. Визуальные наблюдения струйки дама показали, что она вопреки предположениям о существовании разрекения в центральной зоне канала не втягивалась во вращаодукся камеру аппарата, а рассеивалась вблизи выходного отверстия. Кроме того, исследование торцевой стенки камеры аппарата показало отсутствие на ней следов газа.

Аналогичный результат был получен при наблюдении поведения . тонкой шелковой нити о 0.2 мм вблизи выходного отверстия модели. Она закручивалась на всех режимах испытаний, но не втягивалась внутрь модельной камеры. Таким образом, проведенные исследования (З/й 5 600) показали, что по оси аппарата не существует возвратных течений газа.

Количественные измерения поля скоростей в канале теплообменника (компонент средней скорости Итанг и О00 и их пульсационных составляющих и^,анг и и^ ) проводилось с помощью термоанемометра постоянной температуры типа УТА-20. При измерении применялись специальные малогабаритные терлоанемометрические зонда со стабильной тариро-вочной характеристикой. В качестве чувствительного терморезистора использовалась платано-иридкевая нить диаметром 10 мкм и длиной 2мм. Термоанемометр при скоростях потока более 3 м/с обеспечивал такге измерение турбулентных пульсаций скорости с частотой до 20 кг герц.

ц>л,г Vе

Рис.17. Изменение тангенциальной составляющей скорости газа ЬС танг. и ее пульсаиионной составляющей £ в зависимости от относительного радиуса

£ = 0,06 кг/с ; 2 = 2/^=4; Л - П = 1000 мин"1 ; £ -П = 2000 ши~4 ;

О - а зооо мин"'.

В работе впервые получены автором профили тангенциальной и ' пульсационной составляющей скорости газа по относительному радиусу (г = r/D ) аппарата для различных частот его вращения п и расходов воздуха G (рис.1?) . Показано, что в периферийном кольцевой области распределения тангенциальной скорости соответствует закону постоянства циркуляция ( Г=и const).

С уменьшением радиуса (г * 0.25) наряд' с увеличением влияштя осевого течения газа заметную роль начинает играть турбулентная диссипация, что приводит к уменьшению циркуляции (момента количества движения), вследствил чего закон изменения скорости меняется и газ начинает вращаться по закону близкому к параболическому (UTaHr* af2). Переходная область между этими зонами течения сравнительно невелика и ею можно пренебречь.

Полученные зависимости осевой составляющей скорости Uoc от частоты вращения камеры п и различных значений расходов воздуха G показали, что при постоянном расходе воздуха и интенсивности закрутки происходит увеличение осевой составляющей скорости.

Полученные нами экспериментальные результаты соответствуют аналитическим моделям вихревого течения, предложенным в работах В.Кинга, К.Дейслера, А.Магера и др., в которых закрученное течение газа разделялось на ядро и кольцевую область течения.

Математическая модель движения капель в центральном канале аппарата и расчетное исследование процессов гидродинз?дпеского выноса здкой фазы. При Сарботаяе газа через вращающийся ¡кидкий слой в центральный канал аппарата попадают капли жидкости различного размера, которые при одних и тех н:е параметрах газового потока будут ¡меть различные скорости и траектории движения.

В работе разработана математическая модель движения капель в центральном канале вращающегося оарботакного аппарата на основе следующих допущений: на траекторию движения капель зкндкости влияют сила аэродинамического сопротивления, обусловленная различием скоростей Фаз и вязкостью непрерывной фазы; центробежная сила;-Коряолисова сила и сила энеркии (3].

Для упрощения урашений математической модели силами сцепления и силами трения между двпкушмися в потоке каплями пренебрегаем.

хотя это и приведет к несколько завышенным результатам. Не учитываем также силу тяжести и диффузионную силу ввиду их незначительности по сравнению с другими силами.

Будем считать, что размер и форма капель в процессе их движения в канале аппарата не изменяются. Коэффициент сопротивления капли выбирался по литературным данным. Поле скоростей газовой фазы в центральном канале аппарата определялось экспериментально. Для указанной математической модели в виде системы шести дифференциальных уравнений движения капли вдкости в цилиндрической системе координат с центром на оси аппарата получено численное решение.

К тц2К

т = пь/т + 4 —+ Р„ ;

ат танг г г '

сЩк ик ик

_ танг_ « т,к _ танг г р . т ЗГ ~ " ^г т-р-+ Рф • (33)

<шк ял ик

_ ос _ р . ш> танг

т аг - ч • ах---•

ЙГ _ ТТ . (12 _ тт

<ГГ " иг ' ДГ " иос '

1 т= '6; Б = Ц14 •

Система дифференциальных уравнений в полных производных решалась при следующих начальных условиях: при 1=0 капля вдкости находится вблизи поверхности жидкого вращающегося слоя, причем радиальная составляющая скорости ее движения равна скорости подъема газового пузырька во вращающемся слое жидкости, а тангенциальная составляющая скорости относительно вращающейся системы координат равна нулю. Осевая составляющая скорости также равна нулю при 1=0. Расчет системы дифференциальных уравнений второго порядка по методу Рунге-Кутта заканчивался в случае осаждения капли в жидком слое или в том случае, когда капля вылетала из центрального канала аппарата.

Результаты вычислительного эксперимента с помощью предложенной математической модели показали (рис.18), что в газовом потоке, истекающем из канала вращающегося барботакного аппарата, содержатся капли диаметром ^=2-10 мкм. Вынос более крупных капель (Ю.< оО мкк) гфоисходит главным' образом из зоны, примыкающей

координаты капель 1 от длины осаждения 2

- П = 3000 мин ; --- выходной радиус

экспериментального модельного аппарата.

У у

* / У У У у

• /■/ / / /__ /¿г у--- •ч \

/- ы \ 1

5-10 /5 20 с!к,мкл/

Рис. 19. Массовые спектры капель на выходе из аппарата: о - И = 1000 мин ; в - а = 2000 мин ; Д -П = 3000 мин* ; — - - в канале аппарата

к выходному участку аппарата, где осевая скорость газа достигает максимальной величины.

Результаты вычислительного эксперимента хорошо согласуются с экспериментальные данными, полученными автором, что подтверждает возможность использования разработанной модели для исследования течения двухфазной среды в центральном канале аппарата с целью определения величины гидродинамического выноса жидкой фазы.

Экспериментальное исследование гидродинамического выноса жидкой фазы. Сравнение результатов расчетных и экспериментальных исследований. Количество и размер капель как внутри-канала, так и на выходе из него улавливалось с помощью специального зовда методом инерционного осаждения капель на поверхности пластины, покрытой слоем вязкой массы. Определение размеров осевших на приемник зонда капель и их количества производилось непосредственно измерением их на фотографиях 11,81.

Полученные функции распределения капель по размерам в зависимости от частоты вращения камеры для различных сечений канала мало изменяет свой вид и удовлетворительно согласуется с нормальным законом распределения.

При течении двухфазного газа во вращающемся канале аппарата происходит сепарация крупных капель 30800 мкм), которая приводит' к существенному изменению распределения частиц по размерам на выходе из канала аппарата (рис.19).

Для.измерения интегральной величины выноса был разработан зонд специальной констррции, который представлял собой цилиндрическую трубу с диаметром, превышающим выходной размер канала модельного аппарата, на внутренней поверхности которой были нанесены кольцевые пазы. Закрученный двухфазный поток газа попадал в канал зонда, где капли жидкости сепарировались. Степень сепарации контролировались с помощью зонда для улавливания капель.

В результате измерений получены экспериментальные зависимости величины коэффициента гидродинамического выноса а = о Л}_ от

ж 1

частоты вращения камеры аппарата, толщины слоя жидкости-и вязкости гадости. Показано, что с ростом частоты вращения и толщины Оарботашго слоя величина коэффициента гидродинамического выноса

уменьшается, а уменьшением вязкости жидкости на 40-3 -

Результаты исследований показали, что как но расчетным, так и по экспериментальным данным капли диаметром 2-8 мкм при п=ЗС00 об/ мин практическим все выносятся из теплообменника с газовым потоком, но большинство капель диаметром более 10 мкм осакдаются внутри теплообменника, причем масса этих капель составляет от массы всех капель, попадающих в центральный канал аппарата.

Критериальная зависимость для определения комитента гидродинамического выноса. Суммарный еынос вдкого теплоносителя из аппарата с вращающимся барботакным слоем зависит от многих факторов и, в частности, от механизма образования капель по поверхности яидкого слоя при барботаке газа, слокность которого затрудняет теоретическое решение задачи. Поэтому для решения задачи была использована теория размерностей, которая в сочетании с соображениями физического характера, основанными на опытных данных полученных автором, позволило получить систему основных критериев, определяющих коэффициент гидродинамического выноса:

Критериальная зависимость для определения критического режима аппарата. В результате визуальных наблюдений было обнаружено, что с увеличением скорости вдува газа во вращающийся слой жидкости с уменьшением расстояния мезду питающим отверстиями I и частоты вращения теплообменника п, газонасыщение барбота:кного слоя растет. При полностью насыщенны!-: газом слое жидкости его толщина резко возрастает и появляется сильный капельный унос ( критический режим барботаяа).Используя экспериментальные данные получим критерий, определяющий критический резям работы аппарата с вращающимся

барботакным слоем „2 0.12 0.1 н

(§-] • <35>

Пятая глава. Результаты теоретического и экспериментального исследования гж'нсм^рпостеЯ гциродкнамяга и т^пло- мгссосбмонз

увеличивается примерно на 15" .

(34)

при пузырьковом течении газа во вращающемся слое жидкости, а также при течении закрученного двухфазного потока (газ-капли жидкости) в центральном канале вращающегося барботажного аппарата позволили разработать физико-математические модели для определения основных характеристик аппаратов с вращающимся барботажным слоем: диаметров отрывных пузырьков VI частоту их отрыва, скорости подъема газового пузырька, гидравлических потерь по газовой фазе, коэффициентов тепло- и массопередачи для растущего и всплывающего в вддкости газового пузырька, средней по объему температуры газа в пузырьке, среднемассовые температуры газа и жидкости на Еыходе из аппарата, коэффициента гидродинамического выноса и критического режима работы аппарата в широком диапазоне конструктивных и технологических параметров, которые составили теоретическую основу метода расчета оптимальных параметров вращающихся барботазкных аппаратов (математическую модель аппарата).

Для нахождения оптимальных параметров аппарата с вращающимся барботакным слоем использовался метод вращающихся координат, позволяющий оптимизировать как дифференцируемые, так и недифферен-цируеше функции. Этот метод работает значительно эффективнее, чем методы покоординатного спуска, формального поиска и случайного поиска, а на гладких функциях обладает скоростью и сходимостью методов, использующих гладкие функции.

В разработанной программе расчета оптимальных параметров аппарата использована процедура, предназначенная для отыскания одного из локальных минимумов функции 1(х1,...д40) с небольшим числом независимых переменных (п=2+40) на множестве й, определенной системой II (N>0) ограничений вида

Р^(Х^,...,Хдд) < О (1=1,2,...,40) (36)

Приведенная методика проиллюстрирована на примере расчета аппарата с вращавдлся теплообменным слоем при перекрестной схеме движения теплоносителей. На ЭВМ определялись значения удельной мощности, количество теплообменных элементов и массы различных вариантов аппарата (1,91.

Вычислительные эксперименты показали, что удельная тепловая характеристика массы аппарата с вращающимся теплообменным слоем

составляют 20-30 кг/МВт, она заметно меньше удельной массы 'теплообменников обычной схемы (50-80 кг/МВт).

Шестая глава. На основе разработанных в диссертационной работе теоретических основ оптимизации конструкционных параметров аппаратов с вращающимся барботажным слоем были созданы аппараты такого класса для пищевой промышленности, защищенные авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации.

Нами предложен способ и устройство, позволяющие существенно интенсифицировать процесс детартрации сокоматериалов (сократить время обработки в 1.5 раза) и стабилизировать качественный состав сока [311. Аппарат для детартрации виноградного сока изготовлен по нашему техническому заданию и успешно-эксплуатируется в условиях Одесского опытного завода [40,41,42).

Освоено промышленное производство С02-экстрактора [33] для извлечения ароматических веществ из плодовых соков (г.Тамбов, г.Москва). Созданы аппараты с вращающимся барботажным слоем: для нагрева воздуха выше 1000°С [15,17,18,4,7]; для регенерации растительного масла обжарочных печей [21,22,24]; для тонкой очистки выхлопных газов (29,29,30,371.Предложены эффективные аппараты: для тепловой стерилизации жидких плодоовощных консервов [321;для сгущения жидких продуктов, например, соков и молока [35]; для получения искуссвенного снега [341.

Предложенные в диссертационной работе аппараты ot вращающимся барботажным слоем для охлаждения узлов и деталей высокотемпературных установок [23] и регенерации в них тепловой энергии [19] позволят существенно уменьшить массу системы охлаждения и повысить к.п.д. этих систем.

Приложение. В приложении представлены акты внедрения аппаратов с вращающимся барботажным слоем: установка для стабилизации соков и вин (АО "ЭПОС", г.Москва); установка для стерилизациошюй обработки вдких продуктов (АО "Ширин", г.Исфара, Таджикистан); пленочный выпарной аппарат (НПФ "Апирами", г.Исфара, Таджикистан); • горизонтальный секционный экстрактор (ПКФ "ГАММА", г.Москва); тонкой очистки газов и программа расчета на ЭВМ оптимальных конструкционных параметров этих аппаратов.

38

ВЫВОДЫ

1. В результате физико-математического моделирования гидродинамических процессов при вдуве газа и при пузырьковом течении его во вращающемся, аксиально текущем слое вдкости (при 20 < J/g < 600) получены теоретические и экспериментальные зависимости для определения отрывного диаметра пузырьков, частоты их отрыва, скорости подъема газового пузырька и гидравлических потерь полного давления газа в широком диапазоне основных параметров аппарата с вращающимся барботакным слоем: диаметра питающих отверстий решетки и их количества, скорости течения газа в питающих отверстиях, физических свойств газа и ¡шдкосги, толщины слоя жидкости и ее аксиальной скорости.

2. Разработаны математические модели, описывающие нестационарный теплообмен между растущими в жидкости и всплывающими в ней газовыми пузырьками (уравнение конвективного теплообмена) в рамках модели сферического вихря Хилла, позволяющие получить распределение температур по объему пу'зырька для различных критериев Пекле и Фурье, зависимости для локального и среднего критерия Нуссельта от критериев Пекле и Фурье, а также зависимости средней температуры газа в пузырьке от критерия Пекле. Результаты вычислительного эксперимента адекватно согласуются с экспериментальными данными автора.

3. В результате математического моделирования полей температуры жидкости и газа в аппарате с вращающимся барботажным слоем с учетом фазовых превращений, получены расчетные зависимости для определения среднемассовых температур газа и шдкости на выходе из аппарата, адекватно коррелируемые с экспериментальными данными автора.

4. Экспериментально с помощью термоанемометрического метода установлено, что в периферийной области центрального кольцевого канала камеры аппарата образуется потенциальное течение, характеризуемое постоянством циркуляции (Г*= итангг = const), а в ядре потока вблизи оси аппарата газ вращается по закону, близкому к

параболическому = к г2), причем при интенсивности

' начальной закрутки газа = 20+600 и степени турбулентности С = 20+40% в центральном ядре вихря обратных течений не обнаружено. Функция распределения капель по размерам для различных сечений канала мало изменяет свой вид и удовлетворительно согласуется с нормальным законом распределения.

5. Вычислительный эксперимент с помощью предложенной математической модели движения капель жидкости в центральном канале аппарата с вращающимся барботакным слоем, основанной на анализе массовых сил .действующих на каплю, показывает, что в газовом потоке, истекающем из аппарата содержатся капли 2-10 мкм. Вынос более крупных капель (10«1К<30) присходат главным образом из зоны, примыкающей к выходному участку аппарата, где осевая скорость газа достигает максимальной величины. Результаты вычислительного эксперимента хорошо согласуются с экспериментальными данными автора, что подтверждает возможность использования разработанной модели для исследования течения двухфазной среды в центральном канале аппарата с целью определения величины гидродинамического Еыноса.

6. На осноеэ экспериментальных исследований получены критериальные зависимости для расчета величины коэффициента гидродинамического выноса и определения критического режима работы аппарата с вращающимся барботакным слоем.

7. На основании теоретических и экспериментальных, результатов разработаны теоретические основы расчета оптимальных конструкционных параметров (математическая модель) аппаратов с вращающимся барботакным слоем, алгоритм и программа расчета для современных ЭВМ.

8. Под руководством и при личном участии автора разработаны аппараты с вращающимся барботажным слоем для осуществления процессов детартрации соко- и виноматеркалов, экстракции ароматических веществ из плодовых соков, регенерации растительного масла из обжарочных печей и др., которые по своим технологическим1 и техникоэконо?шеским характеристикам превосходят аналогичные отечественные и аарубешю аппараты.

Основные условные обозначения

- диаметр пузырька [м];

й0 - диаметр питавшего отверстия [м]; ио - скорость газа в питающем канале [м/с]; и - скорость жидкости [м/с]; 1. - диаметр капли См];

к о

^ - центростремительное ускорение [м/с1*]; Г - частота образования пузырьков [мин-1]; • п - частота вращения [мин-1];

- плотности газа и жидкости [кгЛг];

Р л»

' - динамические вязкости газа и жидкости [Па-с];

г к г)

ик - кинематическая вязкость Ем^/с ]; Н^ - высота ОарОотакного слоя См1; Уп - объем пузырька [м-Ч; ип - скорость подъема пузырька [м/с]; ш - угловая скорость [рад/с]; С - коэффициент сопротивления ; И - радиус См];

гвкв ~ эквивалентный радиус Ем);

г - радиальная координата Ем1;

в - угол в цилиндрической системе координат-[рад];

т - температура кидкости [град];

Тр -'температура газа [град];

С - теплоемкость кидкости [кДж/кг град];

- расход жидкости Ем^/сЗ; бг - расход газа [м3/с];

Ьт - длина аппарата См];

&ппт, - теплота парообразования ЕкДж/кг];

пар «

• в - расход пара См-ус];

Сп т ~ теплоемкость газа [кДж/кг град];

0ос, 0танг. ' - осевая, тангенциальная, радиальная

составляющие скорости [м/с]; Ь - диаметр камеры См3;

и',,..- пульсацконные осевая и тангенциальные составляющие

с * а]:.

с:;:г;со:;! гэга См-'с]; 1 - кг между питающими отверстиями 1м].

Основное содержание ' диссертации отражено в следующих

публикациях:

1. Ешшнкин B.C., Еблов С.д., Горшешш П.А. Основы теории вращающихся тепло- и маесообщенных Оарботагяых аппаратов. -И.: Легпрошздат, 1991. - 69 с.

2. Сафонов А.И., Крылов B.C., Горшенич П.А. Исследование гидродинамики при диспергировании газа во вращающийся слой жидкости. ТОХТ, 19"о. т.7, )> 3, - с.35.

3. Горжешш П.А., Былингаш Б.С. Исследования динамики движения капель теплоносителя в центральном канале Еращ.-.гщегося барботакного теплообменника //Теплофизика высоких температур. АК СССР, 1979. т.17, * 6. - с.68.

4. Горшешш П.А., Бклинкин Б.С., Спиридонов З.Г. Исследование взаимодействия воздуха с борным ангидридом применительно к вращающимся ОарЗотагздаи теплообменникам. - Теплофизика высоких тешератур. АН СССР, т.28, JS 6, 1981. -с.71.

5. Горшеиин П.А., Былкнкин Б.С. Исследование тепловых процессов

во вращающемся барботааэссм теплообменнике. Теплофизика высоких температур АН СССР, т.20, Л 1, 1982.

6. Бнливкин Б.С, Галицейсюй Б.М., Горшенин П.А. Теплопередача во вращающихся теплообменниках. - В сб.докл.XIV Мезд.науч.коиф.-"Тепло- и массопередача во вращающихся аппаратах" Ьвгуст-сэнт. - г.Дубровники (Югославия), 1982. - 7 с.

7. Былингаш Б.С., Горшенин П.А., Иванов B.C., Спиридонов Э.Г. Исследование модельного элемента теплообменника из керамико-металлического материала - Теплофизика высоких температур АН СССР, 1981. £ 3, - с.82.

8. Гораенин П.А. Экспериментальное исследование процесса выброса капель кидкости в канал модельного вращающегося барботакного теплообменника. Труды ШАМ И 7?.л, 1976. -с.7.

9. Горзекга П.А., Велев ГЛ.!., Былжкн Б.С.., Мйтяи-Б.М. Анализ схем и параметров теплссСенвиков с врзцэкгакся бзрботеяшч слоем. - М. :С5.нз;л.тр. КШ, » 627, 1979. - с. 5.

10. Горшенин П.А. к др. Исследование гидравлических характеристик во вращающемся барботазиом теплообменнике. Теплообменные

аппараты. ГТД труда ЦИАМ Л 1239, 1938. - с.4.

11. Сафонов А.И., Горыенин H.A. Технический отчет ЩАМ ß 2074, 1973.

12. Сафонов А.И., Гомонэва К.В., Горшенин П.А. Технический отчет ЩШ, & 2090, 1973.

13. Горшенин П.А., Сафонов АЛ!. Экспериментальное исследование теплообмена при диспергированнии газа в жидкости. Научные

■ труды ВЗШ J5 2, Исследование процессов в машиностроении, 1973.

14. Горшенин Б.А., Липатов П.А. Экспериментальное исследование

' турбулентного течения газа в канале. Тех.спр.ВДАМ # 8286, 1977.

15. Разработка способа изготовление и исследование свойств изделий из высокотемпературных керметных композиций./ Белов Г.М., Былинкин Б.С., Горшенин П.А. - Труды ЦИАМ, К864, 1979. - 8 с.

16. Горшенин П.А. Измерение малых расходов газа с использованием метода "мыльной пленки". Рабочие процессы тепловых двигателей. Научные труды ВЗШ, т.7, 1976г. -с. 5. '

17. Горшенин П.А., Холщевников К.В. Высокотемпературный теплоноситель. Авт.свидетельство СССР № 516898, опуб.07.07.76. Бюллетень й21.

18 Агрошенко Э.С., Былинкин Б.С., Горшенин П.А., Иванов B.C., Спиридонов Э.Г. Способ изготовления труб. Авт.свидетельство СССР Л 623309, 1978.

19. Митин Б.М., Горшенин П.А., Былинкин B.C. Регенерация тепла в газотурбинных двигателях. Авт.свидетельство СССР, Л 110203, 1977.

20. Белов Г.М., Былинкин Б.С., Горшенин П.А., Рева Э.П. Устройство для очистки газов. Авт.свидетельство СССР Ш0264, опубл.17.-6.80. Бюллетень # 22.

21. Вейнберг Е.И., Бушманов В.П., Горшенин П.А., Митин Б.М. Отчетный лист ОКБ ММЗ "Союз", & 23/81-3, 1979.

22. Вейнберг Е.В., Горшенин П.А., Митин Б.М., Бушманов С.П. Устройство для тепловой и фазовой регенерации масла. Авт. свидетельство СССР » 861635, опубл.05.07.198!. Бюллетень J6 22

23. Горшенин H.A., Бшшнкин B.C., Залов Г.М. Охлаждаемый ротор газовой турбины. Авт.свидетельство СССР jj 853118, 1931.

24. Горшенин П.А., Вейнберг Е.В., Китш Б.М. Техн. отчот ЦИАМ ß 28932, 1980.

25. Еылшшн B.C., Горшенин П.Д., Терентьев A.B. Тешгаобменное устройство. Авт. свидетельство СССР л 775GQ6, опуб.20.10.80. Бюллетень й 40.

26. Куков В.М., Гориэшш H.A., Порозов O.E. Теплообменник. Авт. свидетельство СССР, И 1038785, опуб.30.Ш.33. Бшлэтнь Л 32.

27. ■ ■ ЗКуков B.U., Горщзнин П.А., Морозов Е.Е. Устройство для определения коэффициента теплообмена. Авт.свидетельство СССР, Гг 1125525, опубл. Ю.08.1935. Бюллетень Я 21.

23. Горшенин П.А., Еылинкин B.C., Белов С.А. Тепло- и мзссообменный агозраг с активным гидродинамическим режимом. - В сб.тез.докл.научно-техн.конф.,"Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидоодшамиче сними режимами для текстильной промышленности" октябрь. - М.:_МТИ, 1939.-с.2.

29. Горшенин П.А., Артамонов H.A., Былинки! Б.С. Вращающийся . барботакный аппарат для очистки выхлопных газов. - В сб.тез.

докл.научко-практ.конф. "Очистка газовых выбросов промнпленных предприятий", октябрь. - Тольятти: 1990. - с, 1.

30. Артамонов H.A., Горшим П.А., Былинки B.C., Квасенков О.И. Устройство, для контакта газа и жидкости. Решение о выдаче патента по заявке J5 4840694/26, от 18.03.90.

31. Квасенков О.И., Горшенин П.А., Шаззо Р.И., Артамонов H.A., Касьянов Г.И. Установка для стабилизации соков и вин. Решение о выдаче патента по заявке И 4901503/13 от 10.01.9!. ■

32. Квасенков О.И., Артамонов H.A., Горкешш П.А., Касьянов Г.И. Способ стерилизации жидких продуктов. Патент РИ 2000058 С, опубл. 07.09.93, Бюл. J« 33-36.

33. Квасенков О.И., Горшенин П.А. и др. Горизонтальный секционный экстрактор, авт.свидетельство СССР .ч 1772926 А1 от 10.01.91.

34. Квасенков О.И., Горшенин П.А., Шаззо Р.П., Артамонов H.A., Касьянов Г.1Г. Способ поучения искусстЕеккого енэга и устройство для его осдеоствдеиия. Патент je 1801234 A3, 1931.

35. Квасенков О.И., Горшешш П.А., Артамонов H.A., Андронова О.И. Нариньянц Г.А., Касьянов' Г.И. Пленочный выпарный аппарат. Решение о выдаче патента по Заявке $ 49015(38/13 от 10.01.91.

36. Горшенин П.А., Былинкин Б.С., Артамонов H.A., Квасенков О.И., . Тепло- массообменное устройство. Решение о выдаче патента по заявке J6 4909037/06 от 11.02.91'.

37. Горшенин П.А., Былинкин B.C. Интенсификация очистки выхлопных газов энергетических установок. - В сб.тез.докл.XVII - научно-техн.конф.,май. - М.: РЗИТЛП, 1992. - с. 3.

38. Горении П.А., Былинкин B.C. Интенсификация процессов тепло- и массообмена с помощью вращающихся барботажных слоев. - В сб.

' тез.докл.Мекреспубл.научно-тех.конф. "Интенсификация процессов химической технологии.Процессы -93",июнь. -ТашкеHi: 1993. -с.2

39. Горшенин П.А., Былинкин B.C. Особенности гидродинамики газового потока во вращающемся Сарботаююы аппарате. - В межвуз. сб.научн.трудов "Системный анализ, моделирование и .оптимизация прикладных задач". - М.: РЗИТЛП, 1990, - с. 7.

40. Горшенин П.А. Теория и практика процессов С02 - детартрацик виноградного сока в поле центробежных сил. - В сб.тез..докл. Мекд.конф. "Научно-технический прогресс в пищевой промышленности", Вороново, 16-18 мая. 1995. - М.:-МГАШ1, 1995. -с. 1.

41. Горшенин П.А. Математическое моделирование гидро- и газодинамических процессов при барботировании вращающегося слоя вдкого виноградного сока двуокисью углерода. - В сб.тез.докл. Мекд.конф. "научно-технический прогресс в пищевой промышленности" , Вороново, 16-18 мая, 1995. - М.гМГАПП, 1995. - с. 1.

42. Горшенин П.А., Остова Н.И. С02- детартрация в поле центробежных сил. В сб.тез.докл. Мевд.конф. "Экология человека: Пищевые технологии и продукты". г.Пятигорск 1-5 окт.1995 - М.: МГЗШ, 1995. -с. 2.

Соискатель .

SWiMARY

On tha basis of systematic analysis there vero studied the principal regularities of hydrodynanlcal and heat and miss transfer processes »'1th the bubbled gas flow in the rotatsble layer of liquid (20c j/q<G00), and also tha regularities of gas-and hydrodyn&'Mcal processes with the stream of swirled two-phase flow (gas-drops of liquid formed when bubbling in the field of centrifugal forces). There are proposed phislcal and mathematical models of the Train processes of hydrodynamics and heat and rass transfer in the field of centrifugal forces and scientific principles of the theory are developed for the apparatus with, rotatable barbotage layer (mathematical nodal for calculating the optimum constructional parameters of the apparatus). Under the guidance of and with the personal participation of the author there are proposed and designed tho high-efficient apparatus with rotatable barbota^e layer for tho different branches of food production (tartrates removal from juice and tflno material, flavoring substances extraction from the fruit juices, vegetable oil regeneration from tho frying evens etc.).