автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.13, диссертация на тему:Разработка и совершенствование вертикально-трубных охладителей для технологических производств пищевой промышленности

J5

На прсках рукописи

\

ШЛЯХОВЕЦК1Щ Даплд Валентипоши

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ . ВЕРТИКАЛЫЮ-ТРУБНЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальности: 05.18.13- Техколсиш консервированных гагщепых

продуктов

05.04.03 — Маияппл и аппараты холодильной и криогатей техшши и систем котвдщгнивфошипм

АВТОРЕФЕРАТ днссертгнпо! ira соискание ученой степени 1й1щаЗзта TexiDPfcctatx наук

Красиодар-1998

Работа выполнена в Краснодарском Пауиго-исследователыжжи институте хранения и переработки сельскохозяйственной предугадай • ' (КШШХП) Росссльхозакадешш и в АООТ «ПолиНева» (г. Санкт-Петербург).

Научный руководитель: доктор технических паузе Р.И.Шаззо.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Л.В. Донченко, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор тешзческнх наук, профессор Г.А.Головко

Ведущая организация: Акционерное общество открытого типа «Консервный комбинат «Адыгейскшк».

Запигга состоится 29 мая 1998 г. в 13: 00 час. на заседании диссертационного Совета К 063.40.0S Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская 2, корп. «А», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, прост! направить ю адрес дессертадь'онного Совета.

Автореферат разослан 28 апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Т.В. Фрампольская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развитая пищевой промышленности характеризуют масштабное использование искусственного холода в отраслях пищевой промышленности. Роль холода непрерывно возрастает в первую очередь, в области консервирования сырья и продуктов питания, потребность в которых непрерывно растет. Технологические процессы консервирования н переработки продуктов растительного и животного происхождения, влажность которых превышает 12... 15 %, нуждается в холоде от момента сбора и до момента потребления. При этом температурные режимы процессов охлаждения, замораживания и хранения определяются как функция свойств продуктов, сезонности их получения, специфики и продолжительности технологической обработки и длительности хранения. Наиболее широко эти процессы применяют в технологических производства:^ связанных с обработкой и хранением таких птцепых продуктов, как фрукты, овощи, мясо, рыба, молоко и продукты пх переработки, маргарин, кондитерские изделия, пиво, соки и др. Независимо от специфики каждого продукта, применяемые для его обработки конкретные технологические производства охватывают один или несколько холодильных процессов. Это обусловлено рядом причин, среди которых важнейшими являются микробиологические и биохимические процессы. В зависимости от конечной температуры холодильной обработки, в продуктах с большей или меньшей интенсивностью могут проходить биохимические превращения, обусловленные действием тканевых ферментов, химических реакций из-за контакта продуктов с окружающей средой.

Происходит также развитие микробиологических процессов, что приводит к снижению пищевой ценности продуктов, резко ухудшает их оргапо-лсптические показатели, вызывает образование в продуктах вредных для здоровья веществ. Поскольку необходимым условием для развитая микроорганизмов является наличие воды в доступной для них форме, то превращение воды в неприемлемые формы или ее удаление из продукта в соответствующих количествах приводит к подавлению жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрое охлаждение и замораживание предотвращает значительное диффузионное перераспределение влаги и растворенных веществ, я способствует образованию мелких, равномерно распределенных кристаллов льда.

Развитие микрофлоры при осушке и охлаждении продукта резко тормозится и с тем большей степенью, чем ниже температура продукта к точке замерзания жидкости в микроорганизме. Кроме того, важную рать играет контакт поверхности продукта с охлаждающей средой. Размножение плесени начинается прежде всего на тех участках поверхностей продуктов, где нарушена их целостность и возле которых затруднена циркуляция врадука.

При холодильной обработке продуктов растительного и зхнеотного происхождения важнейшей задачей является -также шишжеиис скорости процессов, обусловленных деятельностью тканевых ферментов самих пищевых продуктов. Характер ферментативных процессов в продуктах растительного и животного происхождения тажоз, что их развитие сопровождается 'фазшю-

химическими И микроструктуршлми превращениями тканей, в результате которых изменяется химический состав, консистенция, сочность, вкус, аромат, внешний вид и водоудерживающая способность продуктов.

Для продуктов натуральных растительного происхождения характерно сохранение физиологической активности после их сбора. Это относится к дыханию плодов и овощей, тепловыделению, приводит к усушке и потере фруктами и овощами товарного вида и потребительской стоимости. Быстрое доведение температуры продукта до уровня, неблагоприятного для развития микрофлоры, обеспечивает повышение его стабильности и выгодно в экономическом отношении, так как способствует понижению усушки и увеличению коэффициента использования холодильных емкостей. Эта обстоятельства лежат в основе современных направлений совершенствования технологии холодильной обработай пищевых продуктов.

Эффективность подавления жизнедеятельности микроорганизмов зависит не только от конечного значения температур, но и от темпа теплоотвода -интенсивности охлаждения. Повышение интенсивности охлаждения при прочих равных условиях может быть достигнуто за счет увеличения перепада температур охлаждающей среды и повышения скорости ее движения, а также интенсивным теплоотводом от продукта в охлаждающую среду-

Охлаждение пищевых продуктов осуществляют до температур не ниже криоскопических, и лишь отдельные виды овощей и фруктов, а также яйца хранят при температурах ниже криоскопической на 1...3 °С (в переохлажденном состоянии). -

Наиболее распространено охлаждение продуктов в естественной охла-здающей среде - воздухе, практически не оказывающем неблагоприятного воздействия на обрабатываемые продукты. Распространение получило охлаждение продуктов в жидких средах (вода, рассолы) погружением (рыба, тушки птицы, консервы) или их орошением (тушки птицы, вареные колбасные изделия и др.).

Но сравнению с другими методами консервирования пищевых продуктов применение холода вызывает минимальные изменения их питательной ценности, массы и органолептических показателей (вкуса, аромата и цвета). Холодильная обработка имеет преимущества перед пастеризацией, стерилизацией и высокотемпературной (тепловой) сушкой по экономичности и удельному расходу энергии. По прогнозам специалистов консервирование холодом в XXI веке займет ведущее место в производствах пищевой промышленности.

В технологических процессах пищевых производств холодильную обработку сырья, полуфабрикатов, готовой продукции и хладоносителей осуществляют в теплообменных аппаратах - охладителях (ТАО), с кипением жидкого аммиака в мехпрубном пространстве аппарата, внутри горизонтальных труб или с кипением аммиака в пленке на наружной площади поверхности горизонтальных труб. Такие ТАО характеризуют невысокие коэффициенты теплопередачи значительные массы Мш и габаритные объемы аппаратов, и большие вместимости по жидкому адшналу, = пл?«очных аппаратах неравномерное распределение жидкости на трубном пучке приводит к обра-

зовагано «сухих пятен», что существенно снижает теплопередачу. Анализ конструкций промышленных ТАО применительно к специфике технологических продуктов показал, что дальнейшая интенсификация технологических процессов сдерживается из-за невозможности отвода значительных тепловых нагрузок в существующих ТАО, без создания в самой холодильной установке аварийных условий работы: выброса жидкого хладагмгга из аппаратов в компрессоры, из-за значительной вместимости ТАО по жидкому аммиаку. Тем самым, технологические задачи пищевой промышленности определили насущную проблему - разработку п совершенствование аммиачных ТАО.

Конструкции ТАО для жидкости н воздуха с кипением аммиака в нленке внутри вертикальных труб отсутствуют, т.к. исследование процессов теплообмена в них практически не проводили. Разработки вергикально-трубиых охладителей (ВТО) с виутритрубиым кипением аммиака в пленке позволят снизить массу и габариты ТАО, сократить их вместимость по жидкому аммиаку, повысить безопасность их эксплуатации в технологических процессах. Разработка и совершенствование конструкций ВТО - для жидких (ВТОЖ) и газообразных (ВТО В) сред позволит обеспечить потребности соответствующих отраслей пищевой промышленности.

Работа выполнена в лаборатории хранения и переработки сельскохозяйственной продукции КНИИХП в соответствии с научными программами "Продовольственное обеспечение РФ на 1992-1995 гг." и "Научные основы конструирования пищевых продуктов и технологических структур ¡фансиня и переработки на 1996-2000 гг.", утвержденными Россельхозакадемней в 1992 и 1994 гг., и в АООТ «ПолиНеса» (г.Санкт-Петербург).

Цель работы состоит в создания высокоэффективных ТАО для технологических производств пищевой промышленности, путем разработан и совершенствования вертикально-трубных охладителей с кипением аммиака в пленке внутри вертикальных труб при ее гравитационном течепин н спутном движении образующегося пара к нижней части теплообменных труб и разработке инженерного расчета для совершенствования ВТО, при условиях нх ввода в технологические схемы пищевых производств.

Для реализации поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

- разработка ВТО и создание математической модели, описывающей режимы гравитационного течения и кипения в пленке внутри вертикальной трубы; проведение численного эксперимента для выявления тепло-гидравлических режимов и конструктивных параметров, обеспечивающих внутритрубное кипение в стекающей гравитационной пленке жидкого аммиака и спутпом движении образующихся паров к нижней части теплообмепиой трубы;

- проведение натурного эксперимента по режимам кипенид аммиака в пленке в макете ВТОЖ, в зависимости от величин плотностей теплового потока ф и орошения Г:

- экспериментальные исследования режимов теплообмена и аэродинамического сопротивления со стороны воздуха в макете ВТОВ с накясниымн ребрами;

- разработка инженерной методики и программного обеспечения для ЭВМ, с целью проведения расчетов для совершенствования ВТО, используемых в технологических схемах пищевых производств.

Научную новизну работы составляют: физическая модель и анализ факторов, определяющих условия взаимодействия протекающие при гравитационном стекании кольцевой пленки аммиака по внутренней поверхности вертикальной трубы и ее кипении со спугкым течением образующегося пара к нижней части этой трубы, при условиях недопущения формирования волновых сдвигов пленки и "сухих пятен";

- результаты численного эксперимента процесса кипения аммиака в интервале температур То от 253 до 293 К при числах Re^ < 400, и выявление эффективной зоны использования кипения в пленке в ВТО, ограниченных интервалом значений приведенного критерия Архимеда Ar«, критерия Бонда Во, Григуля Z и Вебера We,„;

- результаты натурных экспериментов на макетах ВТО, описывающих теплообмен со стороны аммиака и воздуха при То = 263-293 К и qF от 0,4 до 10 кВт/м1.

Обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивают использование отработанной методики экспериментального исследования процессов теплообмена в ТАО, применение современной аппаратуры, удовлетворительное согласование численных и натурных экспериментальных исследований. -

Практическая ценность. Получен массив расчетных и экспериментальных данных, относящихся к кипению аммиака в ВТО. Разработаны оригинальные технические решения ВТО, в которых реализовано внутритрубное кольцевое гравитационное течение и кипение пленки жидкого аммиака при спугаом течении с образующимся паром к нижней части теплообменных труб. Впервые спроектирован, изготовлен и исследован макет ВТО с наклонными ребрами для охлаждения воздуха, который в процессе испытаний показал устойчивую работоспособность. Разработаны методика инженерного расчета и программное обеспечение для ЭВМ, для определения геометрических параметров ВТО, предназначенных для охлаждения жидкостей и воздуха, с учетом использования этих хладоносителей в пищевых производствах.

Автор защищает следующие тучные положения:

- оценку процессов совместного гравитационного течения и кипения пленки жидкого аммиака внутри вертикальной трубы при спугаом течении образующегося пара к нижней часто тсплообменной трубы при учете подавления волновых явлений и предотвращения образования "сухих пятен" на площади поверхности теплообмена и выявленную зону эффективного использования этих процессов б ВТО;

- полученные экспериментальные зависимости для среднего коэффициента теплоотдачи а0 от плотностей теплового потока qp и орошения Г при кипении аммиака в пленке внутри вертикальной трубы, и зависимости внешних теплотехнической (NuH) и аэродинамической (Кии) характеристик ВТОВ с наклонным оребреннем вертикальных труб.

Автор защищает также технические решения, направленные на совершенствования ВТО для охлаждения жидкости и воздуха.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы в КНИИХП при разработке технологических систем для охлаждения и сушки пищевых продуктов и в технологиях использования диоксида углерода для обработки пищевого сырья, охлаждающих систем хранения растительного сельскохозяйственного сырья н пищевых продуктов. Макетный образец ВТОВ апробирован на холодильном складе АООТ "ПолиНева". Разработанные методика расчета и про1раммные средства для проектирования ВТОВ переданы для использования производителям ТАО и в учебном процессе КубГТУ.

Апрооащш работы. По теме диссертации были сделаны доклады: на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Тепловые насосы в народном хозяйстве СССР" (Калининград,1990), межреспубликанской и международной конференциях по холодильной технике для эффективного хранения и переработки сельскохозяйственного сырья (Краснодар, 1992,1995), международных научно-технических конференциях "Холод и пищевые технологин"(Санкт-11етербург,1996), «Техника к технология пищевых производств»(Могилев, Белоруссия, 1998), «Пищевая промышленность-2000» (Казань, 1998).

Публшгацнл. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в т.ч. одно авторское свидетельство и патент РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит го введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и 6 приложений. Работа содержит стр. машинописного текста, включая 55 рисунков. В списке литературы 98 источников, го них 23 - зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Впедетге. Обоснована актуальность, определена цель исследования -выполнение научно-обоснованной технической разработки, обеспечивающей решение важной прикладной задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы. Стоимость ТАО составляет до 60-80 % общей сюи-мехли системы охлаждения, и поэтому создание компактных охладителей небольшой металлоемкости и энергопотребления обеспечит их эффективное использование в отраслях пищевой промышленности.

Малая вместимость ТАО по жидкому хладагенту - аммиаку позволит размещать аппараты в непосредственной близости от технологических цехов или даже непосредственно в цехе, что способствует сокращению капитальных затрат на трубопроводы и теплоизоляционные материалы, а также эксплуатационных затрат - путем снижения расхода электроэнергии-на производство холода и привод насосов.

В первой главе отмечено, что существующие конструкции ТАО для низкотемпературной обработки сырья и продукции пищевой промышленности, охлаждения и осушения воздуха в системах хранения и сушки пищевых продуктов, функционируя достаточно эффективно со стороны технолегнче-

ского продукта, не обеспечивают условий эффективной теплопередачи со стороны хладоносителя. Поскольку ТАО следует рассматривать как многофункциональные аппараты, то множество переменных, влияющих на эффективность охладителя, бьти раздедены иа следующие группы:

- технологические - определяющие выбор тепа ТАО для конкретной области технологического использования в пищевой промышленности;

- дискретные - связанные с совершенствованием аппарата как охладителя технологического продукта или хладоносителя;

- теплотехнические - влияющие на организацию процессов течения и кипения хладагента и конструктивные компоновки поверхности теплообмена.

К разработке эффективных конструкций ТАО приступили, подробно изучив протекающие в них теплотехнические процессы, чтобы обеспечить заданные теплотехнические режимы работы при использовании в соответствующей холодильной технологии. Основы теории свободного стскання пленки разработали Нусселът(191б г.), Кольборн (1934 г.)и П.Л. Капица (1948 г.). Теплообмен и гидродинамику изучали при кипении в пленке ряд отечественных и зарубежных ученых, обзор работ которых применительно к настоящему исследованию показал, что одновременно протекающие процессы течения и кипения аммиака в вертикальных трубах исследовались недостаточно. Поэтому в методах расчета ВТО за последние 50 лет такие процессы практически не рассматривали.

Известен рад предложений по реализации кипения аммиака в пленке в вертикально-трубных охладителях, где предусматривался отвод пара в свободный объем (при наружном кипении) или из верхней части труб (при внут-ритрубном кипении). Кипение аммиака внутри одиночной вер шкальной трубы при гравитациониом течении кольцевой пленки рассматривалось только в работе О.В.Парижского с соавторами (1971г.), охватившей изменения qP от 0.3 до 4.6 кВт/м2 в диапазоне Т0 от 223 до 243 К.

Выполненная автором структурная классификация организации процессов течения и кипения аммиака в ТАО позволила определить цель работы -проведение исследования в области процессов течения и кипения жидкого аммиака в пленке при ее гравитационном спекании по внутренней поверхности вертикальной трубы и спутиом течении с пленкой образующегося пара. Эта проблема была недостаточно освещена в литературных н патентных источниках, в том числе наименее изучена в области разработай и создания охладителей для технологических жидкостей и воздуха с большим влагосодер-жаннем.

В качестве задачи исследования была определена разработка перспективных конструкций ВТО и их совершенствование, включая проведение численных и экспериментальных исследований по режимам теплообмена, составление обоснованной методики инженерных расчетов и программного обеспечения для ЭВМ, с целью уменьшить габариты и массу современных охладителей, свести к минимуму их вместимосггь по аммиаку, и, тем самым, повысить конкурентоспособность ВТО, применительно к оснащению ими технологических производств пищевой промышленности.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу и численным исследованиям совмещенных процессов течения и кипения применительно к расчетной схеме ВТО (рисунок 1). В этой модели приняты условно-кольцевая СФУСТУР3 двухфазного потока; течение сопровождается скольжением фаз; паровые пузыри сносит вниз по потоку, при совместном движении из впадин волн "выныривают" пузыри, их ножки отрываются набегающими грсбпямн; "сухие пятна" заливаются опадающим гребнем волны в месте разрыва плепки. Для упрощения математической формулировки задачи введены следующие допущения: течение пленки принимается одномерным; изменение толщины теплового слоя <У? вследствие его испарения за время существования

пленки пренебрежимо мало но сравнению с начальной толщиной пленки ; конвективный перенос тепла в пленке, а так же теплопроводность вдоль нее не учитывают, физические параметры жидкости и пара аммиака определяет температура насыщения Т^уштывастся теплопроводность поперек пленка, плотности теплового потока ф и орошения Г постоянны.

Для рассмотрения процесса теплопередачи от стенки к стекающей пленки в условиях спугаого движения пара предусматривается, что развитые профили гидродинамического течения и температур устанавливаются непосредственно у входа к поверхности теплопередачи (НГа Н^ = Х^): при Х„», - О толщина теплового пограничного слоя <5? « при Хщ, = Ц допустимо Зч <3ЫШХ\ при У = 0 температура пограничного слоя Т,=Т«, при У><У5 считается, что ТУ=Т0; при принимается ТУ=Т,. Скорость течения

пленки составит g•ЛP■¿„■Г/V, и, записав процесс теплопроводности через пленку жидкости в виде

а-дгТ!д7г -¿Т1<ЗХ (1)

при принятых ограничениях, после преобразовании (1), получена зависимость для оценюг величины плотности теплового потока от стенки в пленку жидкости

= 0.54-Я, •(Г.-Г.)-[?-АР-^ /(а-уЛГ)]* г (2)

где = /Л„)г .

Основные уравнения сохранения, записанные для одномерного кольцевого гравитационного течения жидкости со скольжением пара при спутном движении к нижней части вертикальной трубы в условиях подвода теплового потока ф и непрерывного отвода пара от нижнего конца трубы, решенные путем линсаризашш, позволили оценить факторы, определяющие величину коэффициента теплопередачи при кипении к^ и, представив зависимость для коэффициента теплопередачи к^ в виде: .-С -

где V.т. р] • Л5 полупить выражение:

Рисунок I Расчетные схемы ВТО с течением (а) г кипением (б) аммиака в гравитационно стекающей пленке и отводом пара из нигней части трубы

Ъ„57

Рисунок 3

Рисунок 2

Принципиальные схемы макетов ВТО для охлаждения: жидкости ВТСЕК (рисунок 2) и воздуха (рисунок 3}

Поскольку, из-за непрерывного отвода паров из ВТО, по высоте тепло-обменной трубы Ц отсутствует перепад давления образующегося пара, и разность температур стенки Т» и насыщения Т, постоянна, интегрированием (4) получена зависимость

= (га ■ ИхКе)|/[4-(Г, -Т.)} (5)

которая решается численным методом, принимая, что при ламинарном режиме течения пленки (Яе„л < 400), в первом приближении Д » Д / Ьч).

Для разрыва пленки пузырек необходимо перетреть до температуры Тв\ необходимой для создания подъемной силы, и тогда величина температурного напора ДГ составит (г. -Т,-Тг'), откуда

К 'Yam)'

-Т,-ТД (6)

таким образом формирование пузырей способствует интенсификации теплопередачи от стенки к кипящему аммиаку.

Формирование и гидродинамический резким течения пленки связаны с конструктивными характеристиками (L^ DM1), влияние которых на теплотехнические показатели ВТО оценивалось критериями Бонда Во и Григуля Z, представленными в следующей форме:

Bo-g-p, •Dlml<rt (7)

Z^i^irr-rJ-ig/e^-V^-A-v,)-' (8)

Анализ показал, что со снижением плотности орошения при длинных (Lg »£>„) трубах возникает термическая неустойчивость пленки, обусловленная градиентом поверхностного натяжения Динамическое воздействие движущегося парового потока напленку жидкости в спутном нисходящем кольцевом потоке приводит к возрастанию напряжений на границе раздела фаз, при этом кипение утончает пленку. Влияние гравитационно-вязкостного и гравитационно-капиллярного воздействий я срывных режимов на течение пленки жидкости оценивалось приведенным критерием Архимеда Аг. в виде

^=k -pJ№-р* -P,)F W

и анализировалось, используя обобщенную систему координат Вакера

| (10)

си)

Численные оценки процесса течения аммиака в ВТО показали, что числом Rem < 400 в интервале температур Т„ от 253 до 293 Ког^аннчлвается ламинарный режим течения, которому соответствуют значейкя S„ m от 0.2 до 2.0 х 10 м; в интервале Re^ от 400 до 1600 режим течения переходный, н при Rera > 1600 начинается турбулентное течение н срыв капель в пар.

Совместное аятипше гравитационно-вязкостного Sg„ и гравптацкоино-капиллярисго Sgc яозденстзпй на величину критерия Аг» таково, тто сущост-

вует область максимальных Ar., указывающая, что использование ВТО при кипении аммиака в пленке целесообразно в области температур кипения Т0 от 270 до 293 К. При рассматриваемых Т„ газодинамическое взаимодействие пара с пленкой аммиака таково, что средняя скорость пара отнесенная к оси трубы и ко всей Ц, независимо от пароеодержаннй (начального х,ач = 0.0, конечного Хк„ = 0.95) мало отличается от скорости пара на границе раздела "пар-жидкость", что подтвердило справедливость допущения об эффективном переносе пузырей в движущийся паровой поток. Анализ изменения величины критерия Бонда Во от DE, и То позволил выявить целесообразность использования в BTOJ труб с D„ ^ 17 мм, в которых обеспечиваются устойчивые ламинарные режимы стекания пленки. Возрастание температурного капора определяемого соотношением между Tw и Т„ способствуя возрастанию теплового потока q„, что увеличивает критерий Григуля Z и сокращает Lq. Установлено, что число Z практически во всех допустимых режимах течения в плсике (Ar, г 40) остается меньше значения Ъ= 2300, соответствующего границе перехода от ламинарного к турбулентному режиму течения в ВТО.

Условия взаимодействия стекающей пленки жидкости и спутного потока пара зависят от Т„ и ug, и увеличение ugct, приводит к срыву с пленки капель, что снижает эффективность теплообмена в ВТО. Расчеты показали, что при ламинарном режиме течения пленки и Т0 от 253 до 293 К, срывные режимы для аммиака возникают только при значениях We^ более 18 - 20.

При увеличении Dm число ФруДа Fr для пара существенно уменьшается из-за относительно резкого снижения влияния 6т на величину эквивалентного диаметра Ti^-H^cl-S^. Представленные в координатах Векера режимные характеристики течения показали, что в интервале температур Т0 от 273 до 293 К и Re^n < 400 обеспечивается стабилизированное взаимодействие движущихся спугно вниз пленки жидкого аммиака и его пара, поэтому в ВТО переход с одной температуры кипения на другую может осуществляться плавно, без резких колебаний Re^,. Сокращение DB, способствует увеличению и одновременно - q^ из-за большей плотности теплового потока, отнесенного к местной толщине пленки Монотонное линейное увеличение q^ от Re™ обусловлено ускорением движения пленки вдоль поверхности теплообмена L, и увеличением частоты отрыва от нее пузырьков пара.

Численные исследования позволили сформулировать основные требования к проведению экспериментальных исследований на макетах ВТО.

И третьей главе описаны стенды и методика экспериментального исследования теплообмена в макетах ВТО, и результаты обработки полученных данных.

Макет ВТО содержал (рисунок 2) обечайку со встроенными в нее двумя камерами (верхней и нижней), три трубы D 12x2 мм и центральную паровую трубу D 25x2.5 мм, длиной 1.6 м. В трубах 12 мм разместили калиброванные вставки; в стенках этих труб в шести сечениях в канавках - хромель-копелевыс термопары, koiopLie подключились по компенсационной сл^ме. На расстоянии 5 мм от теплообменник труб расположили каркасы с нихромозой проволокой

О = 1 мм, изолированные керамическими втулками, которые для равномерного нагрева обернули фольгой. Обечайку и обе камеры изолировали пенополиуретаном толщиной 80-100 мм.

Аппараты для охлаждения влажного воздуха изготавливают с гладкими вертикальными трубами, но у таких воздухоохладителей на поверхности труб формируется слой конденсата, толщина которого к нижней части трубы возрастает, что увеличивает термическое сопротивление слоя, ухудшает теплопередачу и снижает величину к«,.

Увеличение за счет спгокения температуры хладоноентеля в трубах приводит к образованию инея на трубах и ухудшает эксплуатацию воздухоохладителя и, в целом, системы охлаждения. Наружное оребрение на поверхности труб прямыми вертикальными ребрами при использовании в системах охлаждения и осушки воздуха характеризуют большие аэродинамические сопротивления, из-за сокращения фронта проходного ссчення и спекания по ребрам пленки и струек сконденсировавшихся водяных паров, а также влияния толщины стекающей пленки на снижение эффективности теплообмена Фигурные пластинчатые ребра накапливают влагу во впадииах ребер, чем также ухудшаются тепловые и аэродинамические характеристики аппарата и не решается проблема непрерывного удаления влаги с тсплообмепной поверхности. Увеличение за счет снижения температуры хладоноентеля в трубах приводит к образованию инея на трубах и ухудшает эксплуатацию воздухоохладителя и, в целом, всей системы охлаждения

Макет ВТОВ (рисунокЗ) изготовили из труб Б 25 мм, оребрепных наклонным оребреиием (угол наклона ребра 30° , толщина 0.5 мм, шаг ребер 5 мм), с расположением по фронту шести труб с шагом 60 мм и числом труб в глубину Хф от 3 до 6. Макет ВТОВ помещали в измерительный канал прямоугольного сечения, выполненный в виде аэродинамической трубы разомкнутого типа, с регулированием расхода воздуха на выходе из вентилятора. Потери напора и расход определяли трубками Пито-Прандтля н микроманометром, температуру воздуха - хромель-копелевыми термопарами, и лабораторными термометрами с точностью 0.05 °С. Атмосферное давление измеряли барометром-анероидом, относительную влажность воздуха - психрометром Ассмаиа. Температуру воздуха на входе в макет изменяли с помощью нагревателя из нихромовой проволоки 0 1 мм.

Экспериментальные макеты ВТО исследовали в циркуляционном контуре аммиака (рисунок 4), используя апробированные методики по исследованию теплообмена при кипении: средний коэффициент теплоотдачи а0ср при кипении аммиака вычисляли по значениям среднего температурного напора АГ^ и локального коэффициента теплоотдачи а0 как

где а0/ = /(г„у - Т,), для чего определяли величины тепловых потоков учитывая массовые расходы рабочих тел т„ температуры Т^, Т„ подводимые электрические нагрузки К^ и затраты мощности ка насосы и вентиляторы N¡1^. Но результатам экспериментов определяли ДГ ., и ай}. Внешний тепло-

(12)

1 - какет ВТО;

2 - конденсатор Р 717;

3 - мерная емкость;

4 —указатель уровня;

5 - баллон с Р 717;

6 - вакуум-насос;

7 - сосуд с водой;

8 - манометры;

9 - термометры;

10 - предохранитель-

ные клапаны;

11 - коллектор;

12 - паровой трубопровод

13 - кндкостной трубопровод

Рисунок 4 Принципиальная схема циркуляционного

контура Р 717 (аммиака) для исследования теплообмена в вертикальных трубах

i_1_I I I Г I 1

t т ию

í 1 t ( (71 Si0* % Ьф'

Рисунок 5 Зависимости средних значений коайсЬвдиентов теплоотдачи ашгака при кипеhez в пленке внутри вертикальных труб оС0 от теплового потока с^

обмен при стационарном течении воздуха с постоянными характеристиками и однородными граничными условиями обобщали в форме зависимостей Мив=ДЛев) и Еив^ДЯе,,).

Макеты ВТО вводили в циркуляционный коптур, где поддерживали постоянство режимных параметров. Расход жидкого аммиака измеряли тарированным мерным сосудом, давление пара - образцовыми манометрами, которое в каждой серии соответствовало принятой Т0. Замеряли мощность подводимую к нагревателям, массовый расход и температуры теплоносителя в конденсаторе и массу конденсата аммиака.

Опыты на макетах ВТО выполняли при температурах Т0 = 273, 278 н 293 К, при плотности теплового потока с^ от 0.6 до 10 кВт/м2, паросодержа-нии до 0.95-98, при температурном перепаде ДТ^ от 0.5 до 3 К Расхождение полученных в экспериментах значений параметров находилось в пределах от 3 до 7 %,отклонения в значениях тепловых нагрузок по балансовым уравнениям не превышало 5 %. Измерение температуры и давления пара аммиака показало, что перегрев пара был небольшим (до 1 К), что подтверждало оценку величины Хни принятым значением.

Для оценки точности экспериментальных исследований были определены предельные относительные и средние квадратичные отклонения результатов измерения и определен критерий Фишера РЬ, величина которого при доверительном интервале 0.95 оказалась меньше табулированного значения 1Щ.

При определении среднего значения коэффициента теплоотдачи ай при кипении аммиака в пленке (рисунок 5) около 95% экспериментальных точек 1руппировались около аппроксимирующих прямых с разбросом менее 20 %, и около 80% точек - с рззбросом менее 15 %. Это позволило для Т = 273, 278 и 293 К получить обобщенную зависимость

= 15.15 V (13)

ограниченную областью использования при значениях Ке^ < 400, значениях Яр до 10 кВт/м!, и характеризуемую точностью от -15 % до + 8 %.

Макеты ВТОВ исследовали при числе труб в макете (в глубину) соответственно б, 5,4,3. По величинам средней скорости воздуха и,^ определялись числа Яеи н приведенные коэффициенты теплоотдачи а^, отнесенные к полной поверхности оребренных труо, и затем - приведенные средние значения чисел Нуссельта Максимальная средняя относительная квадратичная погрешность определения опытных параметров, которые использовались для вычисления значений Иея и Нига пр, не превышали соответственно 3.5 и 5%.

По теплообмену со стороны воздуха наблюдался незначительный разброс опытных точек (рисунок 6), причем до значения Кеп < 10' разброс не наблюдался, и только при 11еи > 103 наблюдался разброс значений, сопоставимых с величиной погрешности проведения опьгга. Обработка полученных

г 3 4 ! ( Т г ¡и 1а ¡с »о (¡2

Рисунок 6 Зависимость приведенного критерия Ли. й для воздуха от числа Ке » в числа труб в поперечном сечении БТОВ 7

М -1_1_1 1 ' ' 1 | 1 1 1' I 1 '

2 з 4 ! ( Т ЧЦ я> лв

Рисунок 7 Зависимость приведенного критерия Ей. для воздуха от числа Яе - и числа труб в поперечном сечении ВТОВ «

О

Я«,

to

Рисунок 8 Зависимости изменения техначесхах

показателей ВТСЕ_- приведенных габаритного объема аппарата Van 2 массы М от габарит-яо-обьешого коэффициента ^ ал

* икт . « ип » ьтож

20 НО SO 80 J00 т i€0

200

240 Fp М2

Рзсунок 9 Сравнительная оценка массы аммзачных тепЛообменных аппаратов-охладителей 2ЭДКНХ теплоносителей Man от площади поверхности теплопередача F,

значений Nu„j позволила представил, его зависимость от Ree и конструктивной компоновки при Т от 273 до 293 К и Д Т„ = 3-5 К в следующем виде: NuUJV = 0.037-.(2-А„ (14)

Для макетов ВТОВ установлено (рисунок 7), что для компоновок, содержащих 6, 5 или 4 трубы, с погрешностью 3.6 % обобщенное значение Eunrv описывается выражением

27.73-Re„JJS (15)

Анализ показал, что процесс теплообмена в вертикальной трубе при кипении аммиака в пленке и спутном движении пара к нижней части трубы не менее, чем на 15 % интенсивнее, чем при других формах организации пленочного кипения. Наружное оребрение вертикальных труб, в которых осуществляют кипение в пленке, характеризуются увеличением приведенного коэффициента теплоотдачи aMJ!> на 16-18 % и снижением величины аэродинамического сопротивления на 20-28 % (в интервале чисел ReB от 3x103 до 40x103 ), в сравнении с воздухоохладителями, в которых аммиак кипит в горизонтальных трубах, оребренных прямыми ребрами.

В четвертой главе приведены разработки конструкций ВТО для жидких теплоносителей и воздуха, с целью их совершенствования; рассмотрены особенности и дана оценка эффективности использования ВТОВ и В'ГОЖ в технологических производствах для охлаждения, криоконцентрирования и сушки пищевых продуктов.

Оценка технических показателей кожухотрубного ВТОЖ, работающего в интервале Т0 = 253-273 К, при % до 5,0 кВт/м2, перепаде температур в аппарате между аммиаком и теплоносителем 5-8 К, величине Гу до 1.2x10"* м'/м2 с, при 0.5 s Lr < 5.0 показала, что габаритно-объемный коэффициент Кго изменяется от 4.0 до 8.0 при стандартных D^ Dm и при n,p от 54 до 1154 штук (рисунок 8), где Vm = Ущ /Гтта, М„ =M^JMmma.

Оценка разработанного ВТОЖ относительно промышленных ТАО для охлаждения жидких теплоносителей в пищевой промышленности, (при равных значениях Qo, D^p и скорости теплоносителя vvm) показала (рисунок 9), что ВТОЖ характеризуют меньшая общая масса аппарата М*„ вследствие сокращения массы теплопередающей поверхности Mf, и большая компактность Vjn, из-за уменьшения массы не теплопередающего металла Мвсп. Так для ТАО типа ИКТ коэффициент избытка массы аппарата уме -М^, IMF изменяется от 1.4 до 2.0, в разработанных ВТОЖ цгш - от 0.2 до 0.8, для ВТОВ значения у/ир оценивалось в интервале от 0.2 до 0.4. Это позволяет улучшить габаритные характеристики ВТО, и существенно снизить вместимость компактных ВТО по аммиаку.

Оценка использования ВТО для охлаждения пищевых продуктов применительно к технологической схеме низкотемпературной сушки пищевых продуктов с высоким начальным влагосодержаиием, где ВТОВ обеспечивает сокращение продолжительности сушки nacTooöpaanui о ."блочного сырья (от начальной влажности 70 до влажности 10 %) в 1.8 -2.0 раза, при подцерзганни

Е

кВт-ч

КГ

0.3

о.е

ом

\| \ 1 1 .1 |а 1

- \ 40 КГ/4—

^ а -16.8

— - 246

1 1 1 III!

20

ко

бо

5

I

кг/й

%

Рисунок 10 Зависимость удельных энергозатрат Е-яа низкотемпературную сушку пастообразного яблочного пире при использовании ВТОВ от нассового.расхода продукта т пр а воздуха т

35..

30

25

-

15

0.8 ¿.2 т$3х{0 хг/г

Рисунок II Зависимости массовой усушкя яблок зимних сортов (?уа при хранении в штабеле н деревянной таре от кассового расхода воздуха Шг. н огр-относительной влазности ц> яа входе з камеру

в продукте постоянной температуры 298 К, и снижение удельных затрат мощности до значений 0.5 - 0.9 кВт-ч на кг высушенного продукта (рисунок 10).

Макетный образец ВТОВ, включенный в систему охлаждения камеры хранения овощей в сезонах хранения 1995/96 и 1996/97 гг. на холодильном складе АООТ "ПолиНева" (г.Санкт- Петербург), обеспечил эффективное поддержание заданного температурпо-влажн остного режима, при минимальных значениях усушки G„ (рисунок 11), и получил положительную аттестацию производства.

В приложении приведены массив патентов по ТАО с кипением хладагента в пленке, зависимости для обработки результатов экспериментов, разработанные методика н программы расчетов ВТОЖ и ВТОВ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны технические решения, позволяющие осуществить внутри-трубное гравитационное спекание кольцевой пленки аммиака и его кипение в пленке при спутном движении образующегося пара к нижней части теплооб-мсиных труб, что позволило создать вертикально-трубные охладители жидкости и газа, отличающиеся компактностью, низкими удельными металлоемкостью и вместимостью по жидкому аммиаку.

2. Составлена математическая модель, отражающая проходящие в вертикальной трубе процессы гравитационного течения и кипения кольцевой пленки аммиака при отводе пара из нижней части трубы, выполненная с учетом реальности распределения толщины пленки и предотвращения образования "сухих пятен", численное решение которой позволило при определенных Re™, и % выявить эффективные условия обеспечения этих процессов, характеризуемые значениями приведенного критерия Архимеда Аг», критериями Бондо Во, числом Григуля Z, Вебера We в интервале Т„ = 263 - 293 К, Dm £ 17 мм, Rem< 400 и температурном перепаде ДГЖ = 1-5 К.

3. Экспериментальные исследования, выполненные на макете ВТОЖ, позволили получить обобщенную зависимость среднего (по протяженности L, площади поверхности F, внутри вертикальной трубы) коэффициента теплоотдачи а0ср для аммиака а0 =15.15 справедливую для значений qF от 0.6 до 10 кВт/мг, Гуот О.ЯЗхЮ"4 до Н.ЗхЮ"4 м3/мг.с, при Т0 от273 до 293 К.

4. Экспериментальные исследования, выполненные на макете ВТОВ, позволили получить обобщенные зависимости характеристик ВТО со стороны воздуха, при наружном наклонном оребрении вертикальных труб, в виде

=0.037.Ке„°*°.(рр^ / V)^ "(2-/V /bjT-

Ей = 27.73-Re "°JS

для Т = 293 К, в интервале от Re« от 3 х 103 до 40 х 103, при ДГ„ = 3 - 5 К и = 4 - 6, с погрешностью до 5 %.

5. Разработанные инженерная методика расчета !?ТО и программное обеспечение для ЭВМ обеспечивают возможности совершенствования ВТО, для

проектирования аппаратов с минимальными вместимостью аммиака, массо-габаритному и массово-тепловому показателям.

6. Разработаны оригинальные конструкции ВТО для жидких теплоносителей и воздуха, в которых, по «равнению с известными ТАО, площади теплопере-дающей поверхности сокращены на 10 - 20 %, общая масса аппарата - на 20 -40 % и в два и более раза - вместимость по жидкому аммиаку.

7. Проведенные натурные испытания опытного образца ВТОВ в технологических процессах охлаждения и хранения растительного сырья (яблоки зимних сортов) выявили возможности регулирования относительной влажности воздуха в камере для достижения минимальной величины усушки для конкретных условий хранения продукта.

8. Использование ВТОВ с наклонным оребрением труб для охлаждения и осушки влажного воздуха позволит на 15-20 % снизить энергозатраты на обеспечение процесса низкотемпературной сушки пастообразных пищевых продуктов.

9. Результаты испытаний ВТОВ подтвердили целесообразность использования разработанных ВТО для холодильной обработки сырья, полуфабрикатов и готовой продукции в технологических производствах пищевой промышленности.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. А-с. № 1483208 СССР. Вертикальный кожухотрубный пленочный испаритель Щ В.Шляховецкий. -Бюл. йюбр., 1989, Hs 20.

2. Шаззо Р.И, ЩляховепкиЯ Д В.,. Теплотехнические характеристики вертикального испа-р!ггеяя с пленочным кипением аммиака в трубах для комплексных хяздосистем //Тепловые насосы в народном хозяйстве СССР: Тез. докл. Всесокяа тучно-техи семгсарз. - Калининград: изд. КДТ, 1990.-С. 34.

3. Шляховещсий Д.В., Вахранев В.П. Охладитель жидхих продуктов с кипением хладагента в вертикальных трубах при пленочном отекании //Совершенствование холод, техники и технологии для эффективного хранения и переработки с/х сырья //Тез. докд. Меясреспубл. - 1ГПС - Краснодар: изд. КДНТ, 1992. - С. 7.

4. Шаззо Р.Н., ШпяховецкиЙ Д.В. Прогнозирование тештооЗмешшх и шссогзбаритньгх показателей вертикально-трубных испарителей при гравитационном стеканин кольцевой пленки аммиака и спутном движении с паром внутри труб//Совремешше технологии и оборудование для хранения и переработки с/х продукции: Сб. нзучн. тр. КНИИХП - Краснодар: изд. КубГТУ, 1994. - С.бб-72.

5. Беззаботов Ю.С., Шаззо Р.И., Шляховещсий В.М. Технологические и технические аспекты низкотемпературной сушки пастообразных пищевых продуктов при переменных параметрах сушильного агента //Перспективные технологии холодильной обработки и хранения пищевых продуктов: Межвуэ. Сб. нзучн. тр. - СПб.: СПбТИХП, 1994. - С.38-41.

6. Угаекислогиьк; компрессоряме термотртгеформятерм .да ка^шлгровзнной термообработки пастообразных пищевых продуктов /Ю.С.Бсззаботсв, Е.В.Патрушев, Р.И.Шаззо, Д.В.Шляхевмдаш //Научные основы высоких технологии и техгогкилепользовзтга диоксида углерода в пищевой пром-сти //Тез. дом. МПК, - Краснодар: КНИИХП, 1995. - С.20.

7. Шляхсвецкий Д.В., Шаззо Р.И. Оптимизация конструктивных размеров вертихамъно-трубного пленочного воздухоохладителя применительно к углекислотному термотрансформатору //Научные основы высоких технологий и техники использовашм диоксида углерода в пищевой пром-сти //Тез. дохл. МНТК. - Краснодар: КНИИХП, 1995. - С.20.

8. Беззабогов Ю.С., Шаззо Р.И., Шляховецкий Д.В. Технико-техисщогические характеристики процесса сушки яблочного пюре при использовании термотрансформаторз //Проблемы и пути повышения качества пищевых продуктов, консервируемых холодом: Межвуз. Сб. даучн. тр.-СПб.; СПбГАХПТ, 1995. -С. 140-144.

9. Об инженерной методике расчета теплообменников-осушителей в условиях функционирования термотраисформатора как сушильного агрегата ЛО.С.Беззаботов, Ю.В.Гордиенко, Р.И Шаззо, Д В Шляховецкий // Холод и пищевые технологии Яез. докл. МНТК. - СПб.: СПбГАХПТ, 1996.-С.316-317.

10. Шляховецкий Д.В,, Безза^отов Ю.С. Теплообмен при кипении аммиака внутри вертикальной трубы при верхней подаче жидкости и нижнем отводе пара //Холод и пищевые технологии Яез. докл. МНТК. - СПб.: СПбГАХПТ, 1ВОй. _,С.373.

11. Шляховецкий Д.В., Беззабогов Ю.С., Шаззо Р.И. Аализ работы воздухоохладителя с кипением аммиака внутри труб в составе сушииьно-нагреватедьного аппарата //Холод и пищевые технологии/Тез. докл. МНТК. - СПб.: СПбГАХПТ, 1996. -С.373.

12. Шляховецкий Д.В., Дученко Л.П. Тепяогидравличсскис характеристики пучка верга-кальиых труб с наклонными ребрами при охлаждении потока воздуха // Современные технологии и оборудование в области переработки и хранения сельхозпродукции /.Юбилейный тематический сб. шута. тр. //Второй выпуск. - Краснодар: изд. КНИИХП, 1997. - С. 19Я-203.

13. Шляховецкий Д.В,, Вахранев В.П. Исследование теплоотдачи при нисходящем пленочном кипении аммиаки и слуги ом движении пара внутри вертикальной трубы // Современные технологии и оборудование в области переработки и хранения сельхозпродукции //Юбилейный тематический сб. научн. тр. //Второй выпуск. - Краснодар: изд. КНИИХП, 1997.-С. 204-211.

)4. Шляховецкий Д.В. Оценка теплоотдачи и аэродинамического сопротивления при охлаждении воздуха в пучке труб с наклонным пластинчатым оребрением //Проблемы и перспективы развития систем юндишонироваиия: Межвуз. Сб. научн. тр. - СПб.: СПбГАХПТ, 1997.-С.60-65.

15. Шляховецкий Д.В., Троянов Л.Л, Теоретические предпосылки и практические возможности криоконцентрирования растительных соков в вертикальном пленочном аппарате //Пищевая пром-сть - 2000 //Тез. докл. МНТК. - Казань: КГТУ, 1998. - С.57.

16. Шляховецкий Д.В., Троянов Л.Л. Исследование процесса криоконцешрадии яблочного сока на внешней охлаждаемой цилиндрической поверхности // Техника и технология пищевых производств //Тез. докл. МНТК. - Могилев, Белоруссия: МТУ, 1998. - С. 84.

17. Воздухоохладитель вертикально-трубный / Д.В.Шляховецкий, Ю.С.Беззаботов, Р.И Шаззо //Положительное решение на патент РФ по заявке № 9610536 от 04.06.1996, КНИИХП