Введение к работе
Актуальность темы. Все возрастающий интерес к продуктам сублимационной технологии обусловлен их исключительно высокими потребитешжини характеристиками. Технология сублимационного обезвоживания широко используется для сушки различных пищевых продуктов, бактериальных препаратов, составляющих крови и кровезаменителей, биологических и гормональных препаратов, сывороток, антибиотиков.
В энергетике сублимационная технология используется для тернохи мическои аккумуляции тепла, очистки дыновых газов от вредных примесей.
В химической промышленности процессы сублимации и десублимании применяются для нанесения защитных похрытий на гранулы минеральных удобрений, очистки газообразного мономера десублимацией примесей, очистеи технологических газов, крашения тканей и др.
Неотъемлемой частью практически любой установки сублимационного обезвоживания является десублиматор - аппарат, предназначенный для конденсации пара в твердое состояние, минуя жидкую фазу. Общепризнано,- что такой способ удаления пара наиболее экономичен.
В различных устройствах для очистки химических соединений десублиматоры служат дня выделения готового продукта или, наоборот, загрязняющих компонентов из газовой фазы.
Исследованию процесса десублиыации уделено значительное внимание. На первой этиапе изучения этого процесса задачи, как правило, ставились в упрощенной постановке: при заданной постоянной температуре охлаждаемых поверхностей, отсутствии термического сопротивления на участке "хладагент - поверхность десублнтнадии", постоянном расходе пара на входе в десублиматор, на поверхностях простой формы и т.д.
На этапе практического проектирования десублинаторов возник ряд проблем, требующих своего разрешения. Поток пара на входе в десублиматор, например, изменяется во времени. По мере его уменьшения падает тепловой поток к хладагенту холодильной установки, что, в свою очередь, приводит к уменьшению давления и температуры кипения хладоиа. Коэффициент теплоотдачи при кипении хладона также зависит от теплового потока. Все эти обстоятельства необходимо учитывать при проектировании установок сублимационного обезвоживания.
Весьма актуальной также является проблема регенерации десублиыаторов, т.е периодического удаления десублимата с рабочих поверхностей. Наличие эффективной системы регенерации позволяет повысить качество, снизить габариты и уменьшить энергопотребление установки.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационныни планами ГКНТ СМ СССР по созданию отечественного высокопроизво-дительного оборудования (Постановления № 325 от 12.05.74, № 450 от 24.08.74, 430 от 30.11.76 гг.), комплексный планом научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета на 1991...1995 гг.
Цель работы. Дальнейшее развитие теории десублимации пара на охлаждаемых поверхностях; разработка физических и математических моделей процесса, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации и методов решения инженерных задач на их основе. Создание методики расчета процессов десублиыации на оребренных поверхностях.
Разработка моделей процессов тепловой регенерации поверхностей десублимации за счет термического удара и конденсации греюшего пара непосредственно на свободной поверхности десублимата. Получение основных расчетных зависимостей для процесса регенерации на основе этих моделей.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
1. Предложен ряд моделей процесса десублимации пара на охлаж
даемых стенках канала:
- полная модель, включающая дифференциальные уравнения
переноса массы, энергии и импульса;
- упрощенная модель, включающая дифференциальное уравнение
переноса массы;
2. Предложена модель и получены решения для десублимации пара
на поверхности прямоугольного и радиального ребра. С использованием
методов обобщенного анализа результаты численного решения задач
представлены в виде аппроксимирующих зависимостей, удобных для
инженерных расчетов.
3. Проведено исследование процесса регенерации поверхности
десублимации методом термического удара. Разработана и экспери
ментально подтверждена модель процесса, определена максимальная
толщина слоя десублимата, для которой осуществим данный процесс.
4. Выполнено систематическое исследование процесса плавления слоя десублимата под воздействием потока греющего пара в вакууме.
Получены аналитические решения для коэффициента теплоотдачи и времени процесса плавления слоя десублината плоской и цилиндрической формы при конденсации на их поверхности чистого пара.
На основе пленочной теории разработана и экспериментально подтверждена модель плавления слоя десублимата при конденсации на нем пара из парогазовой снеси.
На защиту выносятся:
-
Общая физическая модель процесса десублимации пара из потока парогазовой смеси на охлаждаемых стенках плоского канала и алгоритмы численного решения задач, полученные на этой основе.
-
Модель и основанные на ней решения для десублимации пара на поверхности ребер различной геометрической формы. Методика расчета процесса десублимации на оребренных поверхностях.
-
Модель регенерации теплоотводящей поверхности десублиматора под воздействием термического удара.
-
Решения для коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на оплавляемом слое десублината плоской и цилиндрической формы.
-
Модель и методика расчета процесса плавления десублимата под воздействием потока парогазовой смеси.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
-
Программы расчета процесса десублимации пара на охлаждаемых стенках канала, составленные с учетом термического сопротивления охлаждаемой стенки и слоя десублимата, диффузионного сопротивления потоку пара со стороны неконденсирующегося газа, характера теплоотдачи от стенки десублиматора к хладоносителю.
-
Алгоритмы, расчетные формулы для определения температуры и толщины слоя десублината на поверхности прямоугольного и радиального ребра, мегодюса расчета процесса десублимации на оребренной поверхности.
-
Рекомендации для расчета максимальной толщины и основных параметров процесса регенерации теплоотводящей поверхности методом термического удара.
-
Основные соотношения и нетодика расчета процесса регенерации десублиматоров в вакууме под воздействием потока как чистого пара, так и парогазовой смеси.
Результаты работы непосредственно использованы НПО "Вакууммаш" при проектировании универсальной сублимационной установки УСУ-! 00, производительностью 100 кг/ч по влаге, РКК 'Энергия" ии. СП. Королева при расчете системы заправки сублимационных охладителей твердый метаном, для расчета режимов эксплуатации оборудования на Воронежском шинном заводе и Воронежской ТЭЦ, при проведении практических занятий по дисциплине "Тепломассообмен" на кафедре промышленной теплоэнергетики Воронежского государственного технического универтитета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены более чей на 20 международных, всесоюзных, всероссийских, региональных и вузовских конференциях н совещениях, в том числе: на 2 Минском международном форуме по тепломассообмену (1992 г.), всесоюзном научно-техническом совещании "Разработка и реализация региональных программ энергосбережения" (Ленинград, 1987 г.), зональном семинаре "Рациональное использование тепловой энергии и топлива промышленными и коммунальными потребителями" (Пенза, 1987 г.), всесоюзных конференциях: "Пути юггенсифнкации производства и применение искусственного холода в отраслях АПК (Москва, 1985 г.), "Проблемы эффективного использования энергоресурсов в промышленности" (Миасс, 1985 г.), "Тепломассообмен V" (Минск, 1976 г.), V Межотраслевой конференции "Состояние и перспективы развития методов получения и анализа ферритовых, сегнетопьезо-электрических и конденсаторных материалов и сырья для них" (Донецк, 1975 г.), региональном семинаре "Процессы тепломассообмена в энергомашиностроении" (Воронеж, 1991...96 гг.).
По материалам диссертации опубликовано более 30 работ, в том числе 18 - в центральной печати.
Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 205 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений, содержит 78 рисунков, и 7 таблиц. Библиография включает 181 наименование.