Введение к работе
Актуальность работы. Доля теплообменного оборудования в технологических линиях при химической переработке древесины весьма существенна. Вакуум-охладительные испарительные установки используются при охлаждении рабочих сред, обработке гидролизатов, подготовке воды, получении вторичного пара. Выпарные аппараты широко применяются для сгущения биомассы, выпаривания щелоков, бражки, получения дистиллятов, очистки стоков, концентрирования экстрактов растительного сырья. Теплообменники, входящие в состав испарительных установок, используются для охлаждения, нагревания, конденсации различных сред (решоферы, дефлегматоры, конденсаторы, нагреватели и т. д.). Основными недостатками используемого теплообменного оборудования являются его большие габариты, высокие капитальные затраты, потребность в энергоемких теплоносителях, ввиду низкой интенсификации процессов теплообмена и больших термических сопротивлений, особенно при работе оборудования под вакуумом. Например, при конденсации паровоздушной смеси в конденсаторах вакуум-охладительной установки гидролизата древесины величина коэффициента теплопередачи не превышает 300 Вт/(м2К). При производительности установки 100 м3/ч, поверхность конденсации составляет 800 м2, а его масса - более 46 т, что обусловлено низкой интенсификацией процессов как при испарении, так и при конденсации паровоздушной смеси.
Устранение указанных недостатков возможно путем использования пленочных трубчатых аппаратов и разработки эффективных методов интенсификации процессов теплообмена. Хотя принципиальные конструкции пленочных аппаратов разработаны сравнительно давно, их широкое внедрение в промышленность сдерживается недостаточной конструктивной проработкой и изученностью теплообмена на промышленных средах, а также отсутствием надежных, обоснованных рекомендаций по расчету. Несмотря на многочисленные исследования в этой области, вследствие сложной структуры исследуемых теплообменных процессов, для каждого типа аппаратов приходится устанавливать свои зависимости для расчета теплообменных параметров.
Основной концепцией при разработке теплообменных трубчатых испарителей в представленной работе является создание пленочного устойчивого течения по обе стороны теплопередающей поверхности и интенсификация процессов путем создания циркуляционных вихрей в потоке теплоносителя.
Цель работы. Совершенствование пленочных трубчатых испарителей путем интенсификации процессов теплообмена.
Задачи исследования:
1. Изучить и интенсифицировать процесс конденсации паров гидролизата и паровоздушной смеси при слабых и сильных взаимодействиях в пленочном трубчатом испарителе при вакууме и избыточном давлении.
2. Интенсифицировать процесс кипения в турбулентной стекающей пленке гидролизата и технической воды и обеспечить ее устойчивое течение.
3. Интенсифицировать процесс мгновенного испарения гидролизата древесины под вакуумом и апробировать результаты исследования в пленочной вакуум-установке для его охлаждения.
4. Разработать конструкции: вакуум-охладительного аппарата для обработки гидролизата, пленочного испарителя для концентрирования дрожжевой суспензии, пленочного теплообменника.
Научная новизна работы. Впервые исследованы процессы мгновенного испарения гидролизата древесины, технической воды и конденсации паровоздушных смесей в пленочном трубчатом аппарате и установлены его гидродинамические и теплообменные параметры.
Разработан способ интенсификации процесса пленочной конденсации паров гидролизата и паровоздушной смеси, позволивший повысить величину коэффициента теплоотдачи в 3 раза. Установлено значение критерия Рейнольдса, вызывающее интенсифицирующее воздействие циркуляционных вихрей на процесс.
Получены критериальные зависимости для расчета значения коэффициента теплоотдачи при конденсации паров гидролизата и паровоздушной смеси в пленочном испарителе, установлены режимы взаимодействия фаз и закономерности теплоотдачи в зависимости от расхода пара, доли в нем воздуха и величины давления.
Представлены зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении в стекающей пленке воды и дрожжевой суспензии. Установлено, что наличие искусственной винтовой шероховатости на стенке способствует интенсификации теплообмена. Максимальное увеличение теплоотдачи при кипении (в 1,7 раза) достигнуто при высоте выступов шероховатости 1,5 мм.
Практическая значимость. На основании результатов исследования мгновенного испарения гидролизата древесины в пленочном вакуум - охладителе получены исходные данные для проектирования пилотной испарительной установки.
Усовершенствованы и запатентованы конструкции пленочных испарителей для обработки гидролизата и концентрирования дрожжевой суспензии полученной на его основе. Сравнение технико-экономических показателей испарителей с действующими промышленными образцами показало их преимущество в плане снижения габаритов и металлоемкости.
Впервые разработана и запатентована конструкция пленочного теплообменника для испарительных установок, обеспечивающая устойчивое течение жидкости по обе стороны теплопередающей поверхности цилиндрических каналов, выполненных из профилированных пластин, и позволившая снизить металлоемкость, по сравнению с существующими промышленными аналогами, в 3,5 раза.
Апробация работы. Результаты работы были представлены: на Всероссийской научной конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (г. Барнаул, 2009 г.); Международной выставке «Технодрев. Сибирь» (г. Красноярск, 2010); Всероссийских научно-практических конференциях «Лесной и химический комплекс – проблемы и решения» (г. Красноярск, 2006 – 2010 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них: 3 статьи в журналах перечня ВАК и 5 патентов Российской Федерации.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 87 рисунков и 8 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 118 источников.
Работа выполнена в рамках плановой тематики научно-исследовательской работы СибГТУ.
