автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Теплообмен при испарении с поверхности гравитационно стекающих пленок яблочных соков

PV6

1 ti

од

MIHICTEPCTBO ОСВ1ТИ УКРАШИ * УКРА1'НСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГ1Й

На правах рукопису УДК 536.242

ФОРСЮК АНДР1Й ВАСИЛЬОВИЧ

ТЕПЛООБМ1Н ПРИ ВИПАРОВУВАНН1 3 ПОВЕРХН1 ГРАВ1ТАЦ1ИНО-СПКАЮЧИХ ПЛ1ВОК ЯБЛУЧНИХ СОК!В.

05.14.04. «Промислова теплоенергетика»

Автореферат дисертацп на здобуттл маукового ступеню кандидата технмних наук

Ки1В-1ЭЭ6.

/

Робота виконана в Украшському Державному университет! харчових

Офуйш-Дпонвнти:

доктор техжчних наук, професор С.Й.Ткаченко; кандидат технмних наук, нач.вцщту УНД1ЦП А.О.Князев.

Провщна орган;-зац1Я - УкраТнський НД1 продовольчого машинобудування.

Захист дисертацй вадбудеться «_»_1996 року в

_годин на заодшш спец1ал1зовано? ради К 01.15.03 при Укра!нському

Державному ун!верситет1 харчових технологий, 252033, Кищ-ЗЗ.Володимирська, 68, спец1алЬоваш ради УДУХТ, ауд.311.

3 дисертацюю можна ознайомитись в б1'блютец! Ун1верситету.

Автореферат розгсланий ♦_»_1996 року.

технолоПй.

I- доктор технмних наук, професор М.О.Прядко; кандидат техжчних наук, доцент С.М.Василенко.

Вчений секретар спец1ал1зованоТ вченоТ Ради -

канд.тех.наук ( КУ^Д^-р—< ^вЖфй&кенко

АктуальнЮ1Ь_р0б01к1.Виробництво концентрованих coKie набуло широкого розповсюдження у всьому ceiTi. Збср1гання та транспортування концентрованих cokIb дас значну економго тари, вантажно-розвантажувальних та транспортних засобю, дозволяе створювати виробничий резерв на роки з низьким врожаем плодт. Шляхом концентрування BMiCT розчинних сухих речовин в соках шдвищуеться до 7075% (для осв(тлених cokib) об'ем союв при цьому вщловщно зменшуеться у 5-6 раз1в.

Концентрування сомв зд!йснюеться наступними методами: випарюванням, крюконцентруванням або ж з використанням мембранно! технологи. Особливу увагу в процеа концентрування придшяють збереженню натуральних властивостей coki'b (в|'тамш!в, мжроелемента, аммокислот T.iH.).

Найбшьш простий та дешевий cnoci'6, який отримав широке поширення,- випарювання. Bib дозволяе отримувати концентрати з необхщним вмютом сухих речовин при мМмапьному вплив1 на споживч1 властивост1 cok'ib.

Для збереження натуральних характеристик сокт випарювання проводять при можливо низьких температурах насичення. Слщ також врахувати, що суттевими факторами, як1 визначають яюсть концентрату, е час контакту продукту з гарячою поверхнею та величина neperpiay соку в граничному oiapi вщносно температуря насичення, тому що негативний вплив високих температур на продукт, що концентруеться, позначасться перш за все на його кольор!, змма якого (потемншня) пов'язана з утворенням в присутност1 цукрщ та кислоти оксиметилфурфурола з наступним перетворенням в темы продукти конденсацп.

Вказан/ фактори визначають характер пдравлмних схем випарних anapaTiB та випарних установок, з допомогою яких здтснюеться процес концентрування cokIb.

Основним вимогам технологнного процесу згуьцення coki'b, як було зазначено виьце, - мжмальному часов1 перебування соку в зонах з п'щвищеними температурами та мМмально можливш температур) проведения процесу, задовольняють випарниш пл1вкового типу, в яких процес концентрування вадбуваеться в тонюй пристЫшй пл'|вц1 рщини, рух

якоТ вздовж поверх^ теплообмЫу проходить, в першу чергу, за рахунок

/

грав!тащйних сил.

Випарж апарати з гравгтацмно сп'каючою плшкою р!дини характеризуются також своею конструктивною простотою, технолопчнютю в виробництв'|, можливютю створення на 1х баз! багатокорпусних випарних установок, що вщр^зняються високою ефективжстю, вщсутнгстю гщростатично! температурноТ депреси, щой обумовило 1х широке розповсюдження в промисловосл.

На даний час в лггератур1 дан! про систематичн! дослцркення теплогщродинам1чних режим1в роботи плткових випарниюв для концен-трування плодових союв надзвичайно обмежеж. У вщповщнт облает! параметр1в двохфазного кшьцевого потоку з випаровуванням мехажзм процеав переносу дослщжений недостатньо, а рекомендован! розрахунков! запежносгп для розрахунку локально! теплов'щдач! не охоплюють повнютю вказано? области Дан! про граничн! режими роботи випаровувач1в практично вщеу™.

Мета роботи:1.Дослшити експериментально процес тепловщдач! до стжаючих пл!вок плодових сош в режим! випаровування з вшьноТ поверхн! в д1апазож тисюв, хараетерних для роботи промислових випарниюв.

2.Дослщити гранича режими роботи випарниюв, визначити граничж густини зрошення теплопередаючо! поверхн! в заданому д!апазож температур та густин соку.

3.Ствсрити методики визначения основних локальних теплопдро-динам'нних характеристик процесу випаровування в ктьцевому потоц1, що дозволить замкнути математичну модель переносу енерги та ¡мпульсу в кип'ятильних трубах плткових випарних апарат'ш.

4.Створити ф1зично обгрунтовану методику розрахунку шлвкових випарних апарал'в для концентрування плодових сок1В.

Наукова новизна: проведено експериментальне досл'щження дискретно-локапьних теплопдродинам!чних характеристик процесу випаровування з поверх^ грав1тац!йно ст|'каючих пл!вок яблуневого соку при наявносп супутного парового потоку;

н розроблена математична модель процеав переносу енерп7 та ¡мпульсу в турбулентн!й плшц! рщини, адекватна фЬичнш картин! цих процеав;

п встановлено факт турбулюуючоТ дГТ на пл1вку рщини парового потоку та

/

поперечного мЬкфазного потоку маси у всьому д1апазож витратних характеристик плтки;

а запропонована емтрична розрахункова залежнгсть для визначення ¡нтенсивHOCTi тепловщдач1 при випаровуванж;

я запропонована методика визначення дотичноТ напруги на поверхж розподту фаз ктьцевого потоку, яка враховуе залежжсть Mix ц!ею дотичною напругою та еквшалентною шорстюстю;

а встановлено дв1 обласл характерного впливу м1жфазноТ дотичноТ напруги на величину екв1валентноТ п1щаноТ шорсткосп стжаючоТ плшки.

Практична цжнють.Розроблеж узагапьнююч1 залежност1 та методики, що дозволяюсь :

в визначати ¡нтенсивнгсть теплопереносу при турбулентному режим1 течи nniBKM соку в широкому fliana30Hi змЫи витратних параметра паро-рщинного потоку та величини м1жфазноТ дотичноТ напруги характерно! для умов роботи випарниюв соковоТ промисловосл; в визначати дотичну напругу на Mexi розподту фаз, а також втрати тиску в

юльцьовому noToui при випаровуванж гравнацмно слкаючих пл1вок. а побудувати ¡нтервально-иерацщну методику розрахунку юлыдевоТ течм з випаровуванням в плшковому anapaTi.

результати роботи передан! УкраТнському НД1 продовольчого машинобудування для розробки впчизняноТ випарноТ станцп концентрування плодово-япдних сокщ. Результати роботи були використаж при проектуванж та виготоЕленж техжчноТ документацП' Смшянським фМалом УНД1ПМ для виробництва такоТ станцй.

Апробащя роботи. Результати роботи доповщались на 5 науково-техжчних конференц"1ЯХ УДУХТ та м1жнароднш конференци по розробц'| та впровадженню нових технолопй та обладнання у харчову промисловють 1993 року.

Основний 3MiCT роботи опублжований в 5 друкованих роботах. Структура та об'ем дисертацй. Робота вм!щуе 165 стор. машинописного тексту, 66 рисунюв, 9 таблиць. В списку лператури 154 назви. Дисертацга складаеться ¡з вступу, чотирьох роздт1в, висновкт, списка лггератури та додатш.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ.

У вступ/обгрунтована актуальнгсть роботи.

В першому розлЫ проведений анал1з стану дослщжень переносу енерпТ та ¡мпульсу в пл1вкових теч!ях та достов1рносл використання Тх результате для описания процес1в випаровування з поверхн1 гравиацмно слкаючих пл!вок при наявносл супугного парового потоку в трубах промислових випарних апаралв. Аналпичний огляд моделей переносу енерпТ та ¡мпульсу, наведений у цьому розд1гн, дозволяе зробити висновок, що використання практично вт Тх може призвести до значних похибок при розрахунку процес!в в дослщжуваному д1апазож параметр1в потох|'в.

Наведено анал13 результате роб!т по експериментальному дослщженню процессе переносу, що в'щбуваються в пл'тках. Зроблено висновок, що залежносл для розрахунку середньо! тепловщдач!' дмсж в обмежежй обласл змЫи витратних параметр!в потоку, а Тх використання призводитьдо результатш, щосуттево роняться.

3 анал1зу результатш робп, присвячених дослщженню локально! теплов'|Дцач'| при випаровуванж з поверхж гравнащйно слкаючих пл'1вок всередиш труб встановлено, що область змЫи режимних параметр1В потоку, характерних для роботи випарник1в соковоТ промисловосл, дослщжена недостатньо, а поширення Тх результат^ на цю область призводить до суттево вщмжних результалв.

На основ1 проведеного анал!зу сформульовано мету та об'ем дослщження.

методика проведения дослвдв, обробки даних, наведена оцшка погршносл вим{р1в основних величин. Схема установки наведена на рис.1.

Сгк, що тдлягав концентруванню, з певним, попередньо заданим вмгстом сухих речовин, подавався з натрноТ мюткосл 1 через ротаметри 3 та паровий пщгр1вник 2, де нагрщався до температури киш'ння, у вхщну камеру 4. Для р1вном1рного заповнення вхщноТ камери ак подавався через два дюметрально протилежж штуцери, обладнан!' на виход! сичатими фшьтрами.

3 вхщноТ камери С1К методом переливу зрошував тонкою шнвкою внутршню поверхню дослщно! труби 6 з нержавточоТ стал1 10ХТ18НТ внутршжм д!аметром 28 мм та товщиною слнки

мютить опис експериментапьноТ установки, викладена

2 мм. Перед дтянкою труби, що нагршалась, довжиною 3 м, була ¡зотерм1чна дтянка стабт1зацй пл'юки довжиною 100 мм. Конденсат, що м1г утворюватись на поверхнях вхщно] камери, вдводився через штуцер 7.

Дослщна труба пЦйгр!валася ззовж насиченою парою, що надходила в паровий простр модел1 через сепаратор гргачоТ пари 5. Конденсащя грючоТ пари проходила на поверх^ дослщно! труби, роздтеноТ на шють р1вних за довжиною д'шянок по 500 мм кожна. Конденсат, що утворювався на зовншжи поверхж дтянок труби пщ час дослщга, вщводився на мфники 8, де визначалась його юлькють. Парова камера та м1рники були виготовлеж таким чином, щоб конденсат з Тх внутршжх поверхонь, вщводився через трубу 9 в окремий зб1рник 10. Для встановлення в м^никах тиску, р1вного тиску в паровм камеру вони з'еднувались з останньою за допомогою труби 11. Для вщведення газ!в, що не конденсуються, та для змши тиску гргачо! пари, було застосовано вакуум-насос 12.

Ок, що згущувався на внутриин¡й поверхн) дослщно! труби, та вторинна пара, що при цьому утворювалась, потрапляли пюля виходу з труби у камеру 13, де проходило Тхне роздтення. Ск сткав у мерник 14, а пара выводилась в поверхневий конденсатор 15. К'шькють конденсату вторинноТ пари визкачапось м1рником 16. Пюля зам1ру кшькост! згущеного соку та конденсату вторинноТ пари вони выводились на збфник 17, з якого насосом 18 перекачувались в зб1рник 1. Конденсатор 15 був з'еднаний з вакуум-насосом 12

Конденсат, що утворювався на стеках камери 13, вщводився в м|'рник 17. В дослщмй установи! була можливють вщбору проб соку з камери 13 на лабораторж анал1зи.

Температура спнки дослщно! .труби вимфювалась в середньому перер(з| кожноГ дшянки двома мщь-константановими термопарами.

Вим1рювання температур: грючоТ пари, соку на вход1 в дослщну трубу, вторинноТ пари проводилось встановленими мщь-константановими термопарими. Температура вторинноТ пари по довжиж труби вимрювалась термозондом з мщь-константанових термопар, що дозволяло вим1рювати II у чотирьох точках.

В третьему—роздт мютиться анал1з та узагальненнп результате експериментального дослщження дискретно-локальних характеристик тепловщдач! при випаровуванш з поверх^ гравпащйно сткаючих плток всередини вертикально! труби. Дискретно-локальними вважались nepeciMHi по довжин1 дтянки значения параметра. В експериментах тиск вторинноТ пари змЫювався в межах 0,3x105sP„s0,7x105 Па, тепловий потк встановлювався в д1апазон1 5,0^р<60кВт/мг, швидкють пари 0 < шп< 60 м/с; масовий витратний паровм1ст 0 < х < 0,5; число Рейнольдса 0 < Re6 < 350, т,=0....20н/мг.

Встановлено, що в практично у вс1й обласл змжи витратних характеристик рщкоТ фази спостергаеться турбулентний режим течи nniBKH, що пояснюеться дестабш1зуючою flieio на пл1вку руху парового ядра та поперечного потоку маси. В цьому режим1 дослщм дан1 анап1зувались як для перев1рки адекватност!' модел1 переносу теплоти та ¡мпульсу в шшщ, так i з метою отримання емтрично! залежност! м!ж дискретно-локальними теплогщродинамЫними характеристиками течи, яю можуть бути використан1 для побудови одном1рноТ ¡нженерно! модел! процесу.

Для попередшх ¡нженерних розрахункш рекомендуеться використовувати одном1рну ¡нтервальнойтерацмну модель. Залежн'ють для визначення коефадеттв тепловщдач1 визначалась шляхом апроксимацй дослщних даних у вигляд1 комплексу безрозмфних чисел nofliÖHOCTi, запропонованих Карпентером-Колборном. Результуюча формула мае вигляд:

St = 0.0356 Рг*469 (1 )

Як видно з рис.2, вщповщнють дослщних даних розрахунковим, в усьому дослщженому д1апазон1 витратних параметр1в потоку, задовтьна з розб!гом +28% , -23%. Використовувати запропоновану запежнють слщ лише у випадку приблизних кшькюних розрахункю, коли якюний анал1з процесу не входить в задачу моделювання.

При якюному aHani3i дослщних даних проведено пор1вняння модели що розглядае переню в плтщ по аналоги з переносом в приемному uiapi однофазного потоку рщини, що рухаеться в Tpy6i, з запропонованими моделями, що враховують придушення турбулентное^ на мжфазИй межк Bei розглянуп модел1 локально! теплов!ддач1 р1зняться м1ж собою виглядом

ю ■

51 \ 99

9С О О >о кЪ э С I ь 9 О

9 -Ч^

Рг

1(Г

10° 10' 102 Рис.2.Емтрична залежнють числа Стентона вщ числа Прандтля, отримана в досл'щах.

ф © ф Ь с » ® ГС © ©

о О 8 п п 1

О О Яер

3

10"'

8 103

Рис.З.Залежнють Б1:=^Рер). Рг =4. 1- модель 1; 2- модель 2; (к) - досл'щн1 дан1 з вказаною дотичною напругою.

Э Зо з> _ © ® __1 2

2 4 6 8 Ю3 2 3

Рис.4.3алежнють 51И(Рер). Рг =8. 1-модель 1; 2-модель 2; (К)- дослщж дан1 з вказаною дотичною напругою.

Заключних ршнянь, що визначають змшу турбулентно! пязкост! по перетину пл!вки. У вах моделях не враховувались ¡нерц!йн! та конвективн! члени в р1вняннях переносу, осктьки, як показав попереджй анашз, вплив !х несуттевий.

В перилё_моде/11 плшка розглядалася як приступа частина

однофазного потоку в трубк В основу цю! модел1 покладено профть турбулентно! вязкост!, що вщповщае трьохшаровм модел! "ужверсального профшю швидкостГ Кармана-Шкурадзе, при умов! послйност! по товщин! шнвки дотично! напруги та р1вкост1 м дотичн!й напруз! на слнщ.

Система безрозмфних параметр1в, що описують теплов'щдачу у кшьцьових теч1ях, при застосуванж моделей ужверсального типу з припущенням пост!йно! дотично! напруги по товщиж пл!вки набуде вигляду:

81=Т(Ргр,Рер). (2).

На рис.3 та рис.4 в ц!й систем! параметр1в наведено пор1вняння розрахунку по модел! 1 з досл'щними даними для р1зних значень чисел Рг.

Як видно з рисунюв, у всьому досл'1дженому дшпазон/ зм/ни витратних характеристик р'щко! фази, розрахункова крива модел! 1 перевищуе дослщж значения коефвдента теплов!Дцач1 (до 45%), що пояснюеться впливом придушення турбулентност! в пл)вц! р'щини поблизу м1жфазово! межк

Запропоноваж друга та третя модел! для врахування останнього фактора замикаються додатковими р1вняннями, яю описують зм!ну профтю турбулентно! вязкост! в шнвщ поблизу меж'1 пар-рщина. При цьому ллшку розбиваемо на дв1 зони:

1) прист!нна зона, в як!й величини турбулентно! вязкосл та температуропровщносл визначаються ¡з стввщношення для пристшного шару однофазно! течи рщини в круггий труб!;

2) зона затухания турбулентност!, в яюй коеф!ц!ент турбулентного переносу змЫюеться в!д певно! величини в точщ уе\ на меж! зон, до нуля на поверхн! плавки; в ц(й зон! модель додатково враховуе зм!ну дотично! напруги в перер!з! пл!вки.

* =Тст - ррЭУ (3).

Координата уе+ вщповщае точщ перетину проф!лю турбулентно! вязкост! зони затухания турбулентност! та пристжно! зони.

6e3po3Mipni числа Re та St при цьому визначаються позонним

/

¡нтегруванням:

Уе s+

Rep = 4{co;dy^+4j«;dy+

Sr'=(T+) + + Т*

Уе

Ув

У5

(4)

(5)

Для опису профтю турбулентно! вязкосл в зон1 затухания турбулентное^ використано результати експериментального дослщження турбулентной дифузи в плавках pi д и ни [1].

В безрозм1рному вигляд1 BiH запишеться наступним чином:

vT+ =C0nstx5+x(5+-y+)z (6).

Для визначення const модиф!куемо результати дослщження абсорбци газш вшьно стткаючою плшкою води, модиф1кованими для випадку рщини з ¡ншими фюичними властивостями з урахуванням виразу Брьоца для товщини турбулентно елкаючо! пл|'вки рщини Rep=57,25+ [2]. Результуюче рюняння набуло вигляду:

vT+ =0,5752Агв-,/3х5+(5+-у+)2 = абУ-у'+)2 (7).

В цьому випадку профть швидкост1 в зон1 затухания турбулентное^ описуеться наступним чином:

v 2'

Шр = х arctg^8+ - у+) х Vaj;

5+

, 3/2

-1

In

1 + ai

(i'-ГУ

2а х т*,

+ С,(8)

де поспйна ¡нтегрування визначалась за умови сор = соер при у = уе. Знаючи розподт швидкосл, можна визначити значения другого члена в

piBHHHHi (8)

. 3/2

Хлт У

^~1п[(5+ -у+)2а +1]-(5+ -у+) X arctg[Vi(5+ -y+)]j + +

I •

(ахст)

+

О)

При розрахунку числа значения турбулентного числа Рг, в присннжй облаем прийняли р1вним 1, а в облаем затухания - 0,9 [2]. При цьому другий ¡нтеграп в правш частиж р1вняння набуде вигляду:

Виходячи з ужверсального профшю швидкосп визначався перший ¡нтеграл в правш частиж (4), а з ввдповщного йому розподту турбулентно! вязкое^ перший ¡нтеграл в правШ частит (5).

Портняння розрахунюв по модел1 2 з експериментальними даними нашого дослщження наведеж на рис.3 та 4.

Як видно з рисунк1в?практично у всьому д1апазож змжи Rep та дослщж даж перевищують розрахунковк Причини цього в наступному: а) при визначенж const в (6) модиф1кац1я результате дослщження абсорбцм ra3iB проводилася не на основ! експериментальних дослщжень, а вщповщно теорн Левича В.Т. По-друге, очевидно, на ¡нтенсивжсть придушення турбулентное^ повинна вплинути М1жфазна дотична напруга; 3i збтьшенням т, товщина зони затухания повинна зменшуватись, що призведе до вщносного збшьшення коефвдента тепловщдач1 в поршнянж з розрахунками, яю не враховують цього фактору.

Модель 3 вщр1зняеться вщ моде л i 2 виглядом р1вняння, що визначае профть коефМента турбулентного переносу в зож затухания турбулентности Для цього модиф1куемо кореляцмну формулу, що узагальнюе результати дослщження абсорбцм газ1в плшкою рщини в широких межах змжи властивостей рщини при наявносл на поверхн1 розподту фаз дотичноТ напруги, що змжюеться вщ 0 до величини, спшрозм1рно7 з силами тертя з використанням виразу Брьоца для товщини пл1вки, яка в результат! набуде вигляду:

(10).

I > Г

v; = 8,13 X КГ17 X Arm V X Rep"[l + 14,88b x T; x Re^fiô* -у+)'(11 )

u" 1

де n=6,95x 102x( vp),/2, b=0,9+1,73x10,2xVp2,

Проф!л1 зм'ши турбулентно! вязкосн швидкост! та температури по перер!зу п/ивки наведен'! на рис 5,6,7.

Поршняння розрахункш по даж'й модел! з нашими експериментальними даними представлено на рис.8 та рис.9. В бшышй частиш д1апазону змЫи витратних характеристик парорщинного потоку спостер'1гаеться задовшьне сшвпадання розрахункових та дослщних даних.

Саме врахування ц'юю моделлю впливу м1жфазно! дотично! напруги та фюичних властивостей рщини на процеси переносу в плшц! лежить в ochob'i вищевказаного сшвпадання розрахункових та дослщних величин.

Слщ зауважити, що анал1з результат!в розрахунк1в пдродинам^них характеристик пл'шки за моделями свщчить, що придушення турбулентное^ впливае на пдродинам1ку плшково! течи в значно менилй Mipi, н1ж на теплопережс. Так, значения товщин шнвки, розрахован)' по перш)й та трелй модел"|, в дослщженому дтпазож в'щр1зняються не бшьше, н!ж на 6%. Це дозволяе використати при наближеному ¡нженерному розрахунку юльцевих течш модел1 «ун':версапьного профтю швидкост'1» для розрахунку пдродинамнних характеристик плшки, в першу чергу, дотично! напруги та «динамнно! швидкост!».

Анал1з рис.8 та рис.9 дозволяе зробити висновок, що у всьому дослщженому Д!апазон1 витратних характеристик двофазного потоку ¡снуе турбулентний режим течм плшки, що пщтверджуеться розрахунками за моделлю 3.

На рис.10 та рис.11 представлен] розрахунков1 крив! локально! тепловщдач1 для всього д1апазона змжи параметр1в двофазного потоку, що мали мюце в дослщах, побудован!' по модел! 3.

В четвертому розлЫ наведено анал1з результата дослдження пдродинампних характеристик двофазно! течи з метою створення методики розрахунку мЬкфазно! дотично! напруги та втрат тиску.

Ршняння руху парового ядра спадаючого кшьцевого потоку для умов,

/

3У

2 у

+ Уе У.+

10 20 30 40 50 60 70 Рис.5.Профшь температур в пл1вц1. Ргр =4.0.1- модель 1; 2- модель 3,Т*=60; 3- модель 3,1^=0.

Рис.7. Профш|' швидкост1 в плтц1 при розвину™ турбулентн!й течи пл1вки (модель 3, Рг=4.0).

60--- 40

20^

© в

© © & "

® 0

<=0 о о 8 о э о

2 3 456789 10' 2

Рис.8. Залежнють 31=^Ре)- Рг =4. модель3

(то)- дослщт дан! з вказаною дотичною напругою.

2

10"г

8 7

Рис.Э.Залежшсть 51=Т(Рер) за моделлю 3. Рг„=8. (7о)-дослщж дат' з вказаною дотичною напругою.

що достджуються запишемо у виглядс

ОйР Эс),

Вплив поперечного потоку маси при випаропуванж на м1жфазну дотичну напругу визначили, скориставшись рекомендации [3]:

о Г

де ти та ^ - дотична напруга та коефвдент тертя на "ад1абатнм" стшш, а саме, при вщсугносл випаровування, що характеризуют профшьний огпр хвильовоТ поверхж шивки.

Як насл'щок анатзу, було зроблено висновок про фшччну обгрунтовашсть використання приведеного коефвденгу опору для анализу та розрахунку гравпац1йно слкагачих юльцевих теч^й в д'гапазож режимних параметр1в, який дослщжувався в дажй робота

В якост) визначального параметру, що характеризуе вплив на ^ форми поверхш роздшу фаз, приймаемо екв1валентну тщану шорстюсть поверхн! розподшу фаз. При анал'ки результатов дослщжень хвилеутворення було зроблено висновок про те, що величина к* визначаеться як товщиною пл!вки, так ) витратними характеристиками течи. Дана обставина зумовила використання для анал1зу отриманих даних систему безрозм!рних параметра для запису р!вняння, яке б описувапо залежжсть величини еквшалентно? тщаноТ шорсткост! вщ характеристик течи. Для анапЬу системи лараметр1В течи були використаш методи теорм под1бносп, а саме анал1з розм1рностей. В загальному вигляд'| можна записати:

к, = ^Г^У.СГ.Т^Рр.д); (14)

Виходячи з ж- теореми, число безрозМ1рних змжних буде доршнювати читирьом, тобто юнцеве функцюнальне р!вняння повинне мютити чотири я- члени.

В безрозм<рному вигляд1 к- члени набули вигляду:

J 6

Nu

_ 30

-^20 - -Q- f-=r

10 © ш— tí 'S ы

© © у р й 0. >г

% т-

хГ=о Us8 ер © -Ö7N (s) - © & >—г © © © & г> fr © Г® © J g Q^.^

W 1 V La с )£! 4

10Z 2 4 6 8 10a 2

Рис.10. Залежнють Nu=f(Rep ) розрахована за моделлю 3. Рг =4. дослан.' дан! з вказаною логичною напругою.

Рис.11. Залежнють Nu=f(Rep) розрахована за моделлю 3. Ргр=8. ®-дослщн'| дан i з вказаною дотичною напругою.

П, =к.

= Ие ;

У„

П3 = (т х у"3 х р"1 х д~5 = Ка;

П« = х, /

рд)

я

(15)

(16)

(17)

(18)

Тод|' функцюнальна залежмсть для визначення величини ешвалентно? гащаноТ шорсткост) поверх^ пт'аки придбала вигляду:

К^ЦИе^Ха). (19)

Величину екв1валентноТ гмщаноГ шорсткост! визначили, використовуючи формулу Коулбрука-Уайта, яка пов'язус коефвдент опору та еквшалентну тщану шорсткють в облает! з частковим проявом шорсткост! :

1

(

К

- 1,74-0,871п

2к, Р

18,6

КеЖ-

(20)

В результат! анал!зу результата досл!дження пдродинам!чних характеристик течи в систем! запропонованих параметра було отримано ршняння для визначення приведено! еквшалентно? шорсткост! поверхн! розподту «пара-рщина». Причому, виявлено дв! облает! з р!зним характером впливу т, на к+5. В перили облает! ¡з збшьшенням дотично!

напруги к\ росте: к; = 3370т;0'685 х Ие^54 х Ка"1347

(21) в друпи облает! навпаки:

к; = 473 х Ю3^87 х Явр16 х Ка"'0925 (22).

Слщ в!дмпити, що як!сно характер зм!ни екв1валентно? тщаноТ шорсткост! под!бний зм!ж приведеного коефаденгу опору в кожн!й з областей. Одна к значною перевагою обр аноГ методики представления результате е те, що у вибранж систем! зммних ступ!нь впливу визначальних параметров на к^ постмна.

э

V

= V

Рис.12. Рис.13,

Еквтапентна п'ицана шорсткють noBepxHi розподшу пара-рщина. Роэрахунок 1-Reo=300; Z-Rep=500; 3-Re„=700; 4-Re„=1000; 5-Re„=1300. Досл!дж даж: *-Rep=250-350; C-Rep=450-550; O-Re,=650-750; О-Rep=950-1050; • -Rep=1250-1350. Рис.12.Ргр=4. Рис.13.Ргр=8.

4 6 810' 2 Рис.14.

4 6 810" 2 Рис.15.

5 Re„

Пор1вняння розрахункового та отриманого в дослщах приведеного коефаденга тертя пари. o-Re=250-350; э -Re„=650-750; в-Rep=950-1050; C-Re=1250-1400. Рис.14.Рг =4.0. Рис.15 Рг =8 О 1 - Розрахунок по залежност! Блазуса. "

Розрахункова межа областей залежить вщ витрати рщини в плтц'|, ау також й ф!зичних властивостей та може бути визначена за формулою, отриманою в результат! сп'тьного анал'|зу (21) та (22):

т;юр = бЗИе^х Ка0,,С6 (23).

На рис.12 та рис.13 наведено пор!вняння эначень екв1валентноТ п'иданоТ шорсткосп розраховано! за (21) та (22), а також обчисленого з використанням дослщних даних даноТ роботи.

На рис.14 та 15 наведено лор1вняння отриманих в доел щах та розрахованих по запропонованш методиц! значень приведеного коефщ^ента

тертя пари. У всьому д1апазож параметров двофазного потоку результати розрахунюе вщповщають експериментальним даним.

В додатках наведена програма для розрахунку дискретно-локально! теплов1"ддач|' при випаровуванж з поверхн! гравпацжно-стжаючо? плшки при наявносп супутного парового потоку та блок-схема розрахунку плткового випарного апарата з ТТ описом.

ВИСНОВКИ.

Проведено експериментальне дослщження дискретно-локальних теплопдродинамнних характеристик процесу випаровування з поверхж граштацмно стжаючих шнвок при наявносп супутного парового потоку, при анатз| результата якого:

в встановлено факт турбул)зуючо! ди на пж'вку рщини парового потоку та поперечного м!жфазного потоку маси у всьому д!апазож витратних характеристик плшки;

в вщм1чена вщеутжеть ¡нших режимш течн плшки при випаровуванж, крм турбулентного, у всьому д1апазож проведених дослщжень; ■ пщтверджено, що придушення турбулентное^ в плшц1 поблизу м'1жфазноТ меж1 при розвинупй турбулентна течи залежить як вщ ф1зичних властивостей рщини, так |' вщ величини м1'жфазноГ дотичноТ напруги;

и величина м!жфазноТ дотичноГ напруги виэначаеться ¡нтенсивнютю хвилеутворення на поверхж плавки у всьому д1апазож змши витратних параметр1в двофазного потоку.

п выявлено дв1 обласп' характерного впливу м1жфазно! дотично! напруги на величину ешвалентно! п1щано! июрсткосп стаючо! шшки: в оджй з ростом дотично! напруги кк зростае, в ¡нилй - падас;

В po6oTi запропоноваж: в емп1рична розрахункова залежнють для визначення локальних кеоефМекпв тепловщдач! при випаровуванж з поверхж гравгсацмно стжаючих шивок при наявносп супутного потоку пари; а модель турбулентного переносу енерги та ¡мпульсу в пл'тц! при

розвинупй турбулентжй течн; и залежност! для визначення величини приведено! еквшалентно!

шорсткост! поверхн! розподту фаз; в методика визначення дотично! напруги на поверхн: розподту фаз ктьцевого потоку, яка враховуе залежнють Mix ц'юю дотичною напругога та ешвалентною шорстюстю;

о методика розрахунку пл!вкових випарних anapaTiB для концентрування плодових союв.

Умовн/ назначения. L - довжина, лМйний po3Mip, m;D,R - Д1аметр та радиус труби вщпов!дно,м; y.z-поперечна та повздовжня координата вщповщно, м;г-pafliyc, м; теплота фазового переходу, Дж/кг;

д- прискорення вшьного паджня, м/с2;Р- тиск, Г)а;ДР- р1зниця тисюв, ДР

Па;--градюнт тиску,Па/м;ТД-температура, °К, °С;а-густина теплового

А2

потоку, Вт/мг;со - швидкють, м/с;и' = -Ji/p - динамична швидкють, м/с; X - теплопровщнють, Вт/(мК);а - коеф!цюнт тепловщдач!, Вт/(мгК);6 -товщина пл)'вки,м;д- динам1чна вязкють,Пахс;у-к('нематична вязкють, м2/с;

р-густина,кг/м3;т-дотична напруга,н/мг;хв-ад1абатна дотична напруга, н/мг;ср - ¡зобарна теплоемжсть, Дж/(кгК);а-температуропровщжсть, м2/с;

а - поверхневий натяг, н/м;Г- густина зрошення, кг/(мс);ут - коефвдент турбулунтного переносу ¡мпульсу (кажущаяся турбулентна кЫетична

вязк1сть),м2/с;К-екв1ваяентна шщана шорсткють, M;f- коефвдент

тертя;1\1и = — - число Нусельта; St = —-—-число Стентона; Рг = — -число Я р„су а

сг3р2

Прандтля; Re = -число Рейнольдса; Аг^ = ———----хвильове число

' v„ 9Мр(Рр ~ Рл)

„ CT3 . . уи"

Арх1меда; Ка = ——- -число Капиц!; у =--вщстань; со = —-швидкють;

Р Qv vp u

S* = товщина пл!вки; v,* = vy -коефвдент турбулентно! вязкосп;

vp

'v

k*s = ks / (v2 / g)V3- ешвалентна шорсткють; т" = t, / [pg(v2 / д),/3]-дотична напруга; Т* = St"1- температура.

Основний зм'ют дисертацП опублковано в наступних роботах.

1.Форсюк A.B..Прядко М.О.,Василенко С.М. Результати дослщження теплообм!ну при концентруванн! яблучного соку в грав!тац1Йно-сткаючт пл!вц!.- В кн.:Розробка та впровадження нових технолопй та обладнання у харчов1й промисловост). Тези доповщей МЬкнародно! науково-техн.конференцп, Ки!в, КТ1ХП, 1993, с.540.

2.Форсюк A.B., Прядко М.О. Випарна установка для концентрування фруктових та овочевих союв,- В кн.:Розробка та впровадження нових технолопй та обладнання у харчовш промисловост!. Тези доповщей М!жнародно! науково-техн.конференци, Ки!в, КТ1ХП, 1993, с.541.

3.Форсюк A.B., Прядко М.О.,Василенко С.М.,Сторожук О.Т. Математичне моделювання процест випарювання з вшьно! поверхн! гравггацмно-стжаючих плток при наявност! супутного газового потоку.- В кн.:Розробка та впровадження нових технолопй та обладнання у харчову та переробну промисловють. Тези доповщей науково-техн.конференцн, Ки!в, 1995, С.434.

4.Форсюк A.B., Прядко (И.О.,Василенко С.М.,Сторожук О.Т. Дослщження впливу спутного газового потоку на процес випарювання в пл!вць .- В кн.:Розробка та впровадження нових технолога та обладнання у харчову та переробну промисловклъ. Тези доповщей науково-техн.конференци, Ки!в, УДУХТ,1996.с.302

б.Форсюк A.B., Прядко М.О.,Василенко С.М.,Сторожук О.Т. Програмне забезпечення математичного моделювання процест випаровувгння

гравгсацмно сткаючих nniBOK. .- В кн.:Розробка та впровадження нових технолопй та обладнання у харчову та переробну лромисловють. Тези доповщей науково-техн.конференци, Ки?в, УДУХТ, 1996, с.ЗОЗ.

/Итература.

1. Mills A.F., Chung D.K. Heat Tansfer Across Turbulent Falling Films.- I.J. Heat Mass Transfer, 1973, v. 16, №3, p.p.694+696.

2. Хаббард, Милз, Чжунь. Теплоотдача к турбулентной стекающей пленке с сопутствующим паровым потоком,- Теплопередача, 1976, №2, с. 183+185.

3. Хабенский В.Б., Боришанский В.М., Грановский B.C., Морозов П.А. Расчет конденсации в горизонтальных трубах при расслоенном течении двухфазного потока.- Известия АН СССР, Энергетика и транспорт, 1977, №5, с.150*159.

Forsyuk, A.V. Heat Exchange By Evaporation From The Surface Of Gravity Flowing-Off Apple Juice Films.

The thesis on competition for a technical science candidate's degree in the speciality 05.14.04 - Industrial Heat Power, the Ukrainian State University of Food Technologies, Kiev 1996.

The thesis contents of which is published in five scientific papers proposes a model of turbulent energy and pulse transfer in a film at developed turbulent flow; proposes an empirical design relationship for determining local convective heat exchange coefficients by evaporation from the surface of the gravity flowing-off films in the presence of interface tangential stress; proposes methods for determining phase boundary tangential stress that consider a relationship between this tangential stress and interface equivalent roughness; proposes relationships for determining interface reduced equivalent roughness value. On the base of the process mathematical model proposed a procedure, an algorithm and a program are worked out that allow in the presence of modern computer support to calculate energy and pulse transfer by evaporation from the film surface in the presence of the concurrent steam flow over a wide range of variation in fruit juice evaporators' operating conditions.

Форсюк A.B. Теплообмен " при испарении с поверхности гравитационно стекающих пленок яблочных соков.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности - 05.14.04 - Промышленная теплоенергетика, Украинский Государственный университет пищевых технологий, Киев, 1996.

В диссертации, содержание которой опубликовано в пяти научных работах, предложена модель турбулентного переноса энергии и импульса в пленке при развитом турбулентном течении; предложена эмпирическая расчетная зависимость для определения локальных коэфициентов теплоотдачи при испарении с поверхности гравитационно стекающих пленок при наличии касательного напряжения на границе раздела фаз; предложена методика определения касательного напряжения на межфазной границе, которая учитывает зависимость между этим касательным напряжением и эквивалентной шероховатостью поверхности раздела фаз; предложены зависимости для определения величины приведенной эквивалентной шероховатости поверхности раздела фаз. На основании предложеной математической модели процесса разработана методика, алгоритм и программа, которые позволяют при наличии современного компьютерного обеспечения производить расчет переноса энергии и импульса при испарении с поверхности пленки при наличии спутного парового потока в широких пределах изменения режимных параметров работы ипарителей плодовых соков.

Ключов'! слова.

Теплообмен, турбулентна течю, дотична напруга, коефщюнт опору, шорстюсть, вязкють, мЬкфазна межа.