Введение к работе
Актуальность работы. О решении япдачн повышения эффективности і качества производства большой вклад вносят результаты исследовании в области тепло- и массообмен-ч и основанные на них разработки юга технологических процессов и аппаратов.
В шішєрой промышленности широкое распространение получили мас-:ос?мг>ннне процессы с участием гидкоП и твердо N rfa3 (экстракция в :истемах твердой тело - жидкость, растворение твердых тел, нрнстлл-іизация, гетерогенннй кяТчлнз, ионным обмен, процессы, связанные с «ембрянноП технологией). Кинетика их определяется скорость?) гетеро-'єідіоіі реакции на гр»ниич раздела и скоростью переноса вещества во >заимодеііствуюішіх ifae^x (внепчеП и внутренне!! др ручней). Одна из іадвч настоящего исследования состояла в том, чтобы на примерз провесов, скорость которых определяется лишь внешней дг-ЭДузпей, легально поучить эякон'.члериости отоИ стадии и тем самым одєлать воомок-шч строгий анализ суммарной кинетики гетерогенних процессов.
За последние десятилетия дооїнтчіучн существенные успехи ь раз-іитии аналитических и численну* методов исследования конвективного r-епло- и массообмена. Однако применение их к омдачлм тепло- и мяссо-ібмена при больших (V и турбулентно» режиме движения наталкивается m значительные трудности из-за, отсутствия достоверных сведений о іакономерностлх переноса в влеком подслое, где сосредоточено осиоп-юе диффузионное (термическое) сопротивление при (V » І. Поотому (лячевнм вопросом турбулентного мпосо- и теплообмена при f)r >> I іетается в настоящее время математическое выражение закона затухания іосффициента турбулентного переноса массы (тепла) и вязком подслое, [ри установлении бтого закона открывается возможность разработки боте точных методов расчета турбулентного массо- и теплообмена не 'олько в условиях развитого дифузно иного ч теплового пограничных !лоев, но и на начальном диффузионном и термическом участках, что іредставляет актуальную апдячу в связи о неуилонинм техническим ірогреосом во всех отраслях неродного хозяйства.
Цель работа і развитие теоретических основ расчета высокоэф-іективіпіх массообменітх процессов в гетерогенних системах лшднооть-вердая фяза с интенсивной БнеишедифФуоионнон' стадией" решением сле-іуюиих задач. І. Установление математического выражения длл оаконп чітуханил коофт^іциентп турбулентного Переноса массн В вязком под-:лое на основе экспериментального исследования масеоотдачи в очэнь
широком интервале диффузионных чисел Прандтля на хорошо изученном с гидродинамической точки зрения объекте - трубе круглоі'о сечения.
2. Получение на основе установленного закона зависимостей для расче
та тепло- и массоотдччи при постоянных физических свойствах среди в
условиях развитого и нестабнлизированного профиля концентрации (тем
пературы) при одномерном осреднением течении (трубы круглого сече
ния, плоские трубн, каналы кольцевого сечения, вращающиеся цилиндры),
двумерном осреднением течении (на плоской пластине), осеоимметричном
течении около вращающегося диска со сплошной и кольцевой рабочей по
верхностью, в каналах зернистых слоен. 3. Экспериментальная провер
ка полученных расчетных зависимостей на перечисленных выше объектах.
4. Применение полученных формул к анализу процесса экстрагирования
сахара из свекловичной стружки в некоторых диффузионных аппаратах
свеклосахарного производства (типа J и ДС), процессов кристаллиза
ции и растворения сахарозы, ионообменной очистки воды, тонкой очист
ки аэрозолей, теплообмена при нагревании вязких жидкостей.
Научная новизна. I. Растворением изготовленных прессованием при высоком давлении монолитных участков трубопровода из бензойной кислоты в водноглицериновых растворах проведено исследование турбулентного массообнена в трубе_ круглого сечения в интервала диффузионных чисел Прандтля 4,8-10^ - 1,2-10 , существенно превышающем интервалы
О,, , достигнутые в аналогичных исследованиях в нашей стране и за рубежом; достоверность полученных данных, в частности, отсутствие искажений за счет эрозии поверхности, подтверждена определением коэффициентов массоотдачи в аналогичных гидродинамических и аппаратурных условиях электрохимическим методом. 2. Установлен множитель
I, * 2,7*10 и показатель степени К >4 и законе затухания коэффициента турбулентного переноса массы в вязком подслое m//S) « - ІУ^ ( Іп - коэффициент турбулентного переноса массы) ") - кинематическая вязкость; у+ « у ц',,/ V 1 tL0 - динамическая скорость).
3. Предложены формулы, аппроксимирующие численные решения дифферен
циальных уравнений переноса массы в вязком подслое при одномерном
и двумерном турбулентном точении на осново установленного в настоящей работе закона затухания коофгёициента турбулентного Переноса 6м .
4. Получены формулы для расчета турбулентного майсообмена (теплооб
мена) при Рг » I в круглых, кольцевых и плоских трубах, в реакто
рах с механическим перемешиванием^ аппаратах с враигшщимися диско
выми и цилиндрическими элементами, в аппаратах о зернистым слоем.
:>. Разработан о'езин'геряалыыЛ метоп расчета процесса окс'ірагироьлнич сахара на свекловичной стружки, ппробировпчпиЧ в ходе псоизводгл, і-7.і~ ішх испытание чи'йулмнннх аппаратов непрерывного пейоттіл J - -'''-і и ДС-І7 свеклосахарного производства, б. Ралрчботам начет расчета теплообмена при нагревании внеокоячзких «ипкоот-:?!і п япч^рпг-о с ы:1<:ипп-
ЩЄИСН ДИСКОВОЙ ПОВерХНО-Ч-ТЬЮ ТЄЧЛ007МЧЧ!а.
ІіешШ/Л^ЩИ^На^Щ^-^ХЖ^ ! If)Луч;:HI IP і! -Л paoCTa
формула для рнечеіч мпеооотдачи от твердли л;7і>7іі і* 'і /1. rlv ;[-; і,: і і .':"
ПОТОКУ ЖИДКОСТИ ІірИ ЙОЛЬШЧХ ІіиффУЯКОННиХ ЧИСЛОХ ЛрМСП'Л ' І! ('..'ІГ.З.'.'І.'Ч
прифчлв концентрации, как и сотч>гУгс""пующ!іЧ і'.лп.чулгі дл-т лг-ісп^рн.гго
С f: VI ЇМ Я ИВИВДНИЧ, ОПИСШЄЄ".' ІСШСТІ'К.У 14177777 ЧИ ЬЬупСІІ ПСІ! Г,ан*;.;(:'.''.(
зкс'ірпгнрукччеі! чинности а каналах зерічісун.'х ллл-в, гаал.чов.чнч.чх 'чю-Тішями растительного очрьч, її п f r- f і -' *! -т г» н ' j :< -s;' : ?>. ->т,у'.. .'/;: 7077./ '> д\ ''-мулы гспользонгліч iw.ii анализа ч расота -4-777-^-7: .юггр'Ъ'нлч -7.7.:.1
113 Свекловичной С'ІрУХЧИ В ПМҐЛОІІІК .'.< ДВ7711 'Л'Ч'ОЧ lb! '.;, "V 77! ;- ',-]'.).-'-
'іо ,ті!іта J при разработке ма,гг'Ч{іі.ч"г"ч;>іі мацали д.чч V емале -:7і -то-ч-е-сом ооосчвхяріппнііч .усушки ь vxamiaio.x ач /мч »і я::, 7Л'7;'" ,;л ;ч;., кчол--
ТруКШ'Л ПІ'.^ІУЛИОНіПГО ґіПГІЛСГПо І! '"Г'Т -!' і І ї''Л '.-'"Г'ІЬІМ; 777:417,4-474
оглугччна а в'7 членим єпіпчуч-льс'- Г'~ч.
ІІОЛУЧҐМІН'Н! В ря:)0"7 фчрЧУ.ЧЛ, 01-7717177704 ЇУРІУЧ'Єіі" >. :7 '"- i"--i--,"-w
мок в каналах, иололчаспаїлі пал г":п;'лл'.л о:-' л'л.у и - :7ХЧ" ллл <-.'"""м !Г'Ч!
НЧХ ЧЛСЧШІ 73 ТУрбуЛЧІПИО"' СГОДЛ, Т.К. ія|,-:,:к.::И'ОГЧ^РГ !: " -,:7,:..77.:7 07--
поо.чтея к еисчо.чам о а:/;:окн!.'и чиодуіи .ІГ'Ч-7-. ;лл,
1І0ЛУЧРІ!1І!,ІИ 11 ОКО !!'-рЧЧС І !Т,Ч.ЧЫР 7701^477411 Ч ,{'0р: Г.7'17 U.'7'l р77 " 7 МВССООТДаЧИ ОТ ВГіаПаїпГП'.ХСП ПНЛИИГР'УІ , ЧЧОК'ЛІ, И ПЛ:77.7уч" 7 1-1^777.7-ЧЗСКИЧ ІЮрСМе ЦіЧіШіЧ'ЧІ 110ЧП77Гі,'>'7Г, 147', В ,117,7.:70 777 :7!>77("<. і < 11 И7.-'У~ НерНОІІ ПГ7ЧГ:ИіСЄ ЛПШІО'ИЧОС'ГЯХ І'ЛЧ рЛС ЮТа ПрОР^О''!! ОКО'.рУЧЧ.И її р-у,-
варения її система* пюрпор -толи ~ ''Идкосп. ллкплчччл-. -ччуєни О,'-
ПРІ! ЦИ<М>УНИ0НІК\М ЧИСЛв ІІСЯНІІ'І'ЛЛ ГіОЛ'-'--"!1 б і П 7 7ЛЧЄ7ЄІ! .-,І-ЧГ;НИ.7( , Л'~ 'Ч> -ЩИП В ИН'.ЧЗРППЛЙ 0,.?і) - 0,33 І) .4717177.,4--7 і 0 1' 777047 I.I 7У7Ч7ГЧКЧ 1,0«
ток участка с нерозвитим шф-'уямоннмч погрштччч.ч а л о ем.
Применение д/опчули цлп рас"ч'!'ч .чассоо'ілпчн от лрлічп'кліхсл полков И КОЛ«ЭИ ПРИ Т.УРО'уЛеН'ПЮМ pf:77l.!,) ЦНН70ПЧЧ 17704117747 ЧЛПІ'О-НОС'МІ
использования пф^ктипюго метопа "врлтгчсиччгол;, -unf-i'1 р лі';(5ои-г.')р~ нчх исследованиях кічіетнки бь'7'ірчх ['отпрог'М'нчх рчакпч.!, скорост : внутренней' ди'К'угшн, илл опропо.тчтп кспф": пиьчптчп .':л'Ь],-.'ачі' ч ;,л. Метод "прчміліочіетопя диска" приппи^я дл.ч ореч-.ччачиц і.чл-чЧ'-кчи.-'нчхін молекулярной цм'Крупин сахароам в ппемценних гіодпії:-: ра-чП'Огпх, члм определения порядка и констпнтч скорости кгчстгіллохимнч'пікоіі рі-ч;<-
ідии в системе сахароза - водные растворы сахарозы..Результаты, полученные на вращающемся диске, хорошо согласуются с експериментальним материалом по скорости роста кристаллов сахарозы при массовой кристаллизации в реакторе с интенсивным перемешиванием. !
В связи с тенденцией к увеличению единичной мощности технологической аппаратуры неизбежно расширение применения в производстве турбулентного теплообмена при Рг s> I. Подученная и экспериментально проверенная формула для расчета массоотдачи от стенки трубы к турбулентному потоку жидкости при развитом профиле концентрации рекомендуется для расчета трубчатых теплообменников, работающих на теплоносителях с повышенной вязкостью. Формула согласуется с экспериментальными данными по теплоотдаче при больших числах Прандтля(до 316), которые, по мнению специальной комиссии, занимавшейся уточнением инженерных методов расчета теплообмена (Великобритания), являются наиболее надежными. Формула, описывающая ыаосоотдачу при одномерном течении и неразвитом профиле концентраций, рекомендуется для расчета компактных теплообменников. Формула, описывающая массоотдачу при двумерном течении, согласующаяся с опубликованными в литературе данными по теплоотдаче при обтекании плоской поверхности турбулентным потоком трансформаторного масла ( Рг = 100 и Рг = 380) может быть положена в основу расчета теплообмена на входных участках теплообменников, где пограничные слои на стенках развиваются независимо друг от друга. Практический интерес решения задачи тепло- и массоотдачи от вращающихся цилиндров и дисков связан не только с тем, что эти объекты являются широко распространенными элементами узлов электрических машин и турбомашин, но также и с возрастающим применением их в разных отраслях Народного хозяйства, в частности, для создания эффективных теплообменников. Разработана конструкция аппарата о ври-щающейся дисковой поверхностью теплообмена для нагревания вязких жидкостей, защищенная авторским свидетельством. Разработан способ ускоренного определения коэффициента диффузии сахара в свекловичной ткани и устройство для его реализации. Способ защитен авторским свидетельством.
.Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях XII теплофизИческого семинара Сибирского отделения АН СССР (г.Новосибирец, 1969), ІУ и У Воесоюзннх совещаний по тепло- и ыассообыену (г.Минск, 1972 г., 1976 г.), теоретического семинара Института электрохимии АН СССР (г.Москва, 1969 г.), Всесоюзного научного симпозиума "Теория Пограничного слоя" (г.Ленинград,
I97S), Ученого совета Всесоюзного нчучно-иоследаьатальского института сахарной промышленности (г.Киев, 1975 г.), IT Республиканской на-уЧНО-ТеХНИЧеСКОЙ КОНфереНЦМИ В области ПР'ЛІЙОЙОВ И а'Ш!Ц"ДТОН ПГ.Ц.>-ЯЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ (г.ІІІШВ, 1900 Г.), Ш ГсСП.', '" ЛИК'ІНОКОІІ
конференции "Почъшение «Фиктивности и соьер,.'«іі'.ітьоиаиі!<з процессси и аппаратов, химических пр:и;п",одетр" (г.Лычш, 17/3 г.), }'ее;:;/блг.;<:г.н-oHfifi научно-техничеїжой* конференции "Uonop'iwirjTKJB'iHito теории и техники о.кстрагирорання чо тверп»,гх материалов, с целью создания високо-оффоктирных автоматизированных экстракторов U' .К.і>:-, ІГ/'ч г.), і и ІІ Всесоюзных конференций "Д'.г'чмнкя процессов и ипиаратои уплнччокоИ технологии" (г.Воронеж. b?iv г. и I9B& г.), В''< ОЦІЧ'ОНРНИє"
(г.Ч^рновіґд, 1934 г.), II Г: с poo do ной конференции "Согр-^.к-чшич мливі Hri и аппараты химических ироиогодстп" (г.Чимкент, 1'?"0 г.), У Рееозк'В-ноіі мяучно-техническоП конференции "Электрофизические і/.є'і'сд'.-j оОрлбст-ки пишевых продуктов" (г.І.!оекна, І98Г) і'.), /Л? ''онде.чеевского оъ *..; л а по обшей и прикладное химии (г .Ташкент, ІЖ' г.), Пеесокк-ноП конкуренции "ПоіЧЛиРІПіе офгОКТНВ ПОСТИ . СОІ"'р,иенГ"/І'<>ИіЧМ(> ПРОЦЕССОВ 11 (ЧП'Я-
рятор хи.'-чіческих производств" (г ..Харьков , hY'n г.), \\і Госпуб тп^аїч.--кой научно-технической конференции ''І'амкпугьо технол'оі нч.'ек;:е сг.о.Т"-
)'}> РОДОИСІШЛЬВОВПНИЛ И УТИЛШіЧЦИИ Пі'П.ІКОР їіроММ'ІІЛОННИХ СТОЧИ! ГЧ под"
(.Г.Кишинев, ШХ) г.), І Всесоюзной конференции "Эсстрян-л.!/; орг.і-нче-ских соединений" (г.Воронеж, !?<'!'? г.), отч^тних научіміх конференции Пороняжского технологического института О Г:1','.') I'. ПО I?'?Li Г. (r.Lor'J-пел).
&ІШііТїРЛ^_^б'иуі_работу. Работа состоит но вг»допил, с.ми глп, списка литературных источников, перечня основних обоаначеиии и приложения.
В первой главе приведен анализ сосі.'лпніт вопросе, турбулентного мосоообмеиа (теплообмена) при развитом профиле скоростей, п концентраций (температур), попроси, решением которых обусловлено у точно ни о методов расчета турбулентного міссообмена И теплообмена при больших числах Пряндтл.ч п системах твердое, тело-лпдкость. Вторая гласа посвяшона оксиеримептпльно'.'у определению закона оатуханпп ио'чф-фиігдентз турбулентного переноса массы в влзкоМ подслое при движении жидкости п трубе круглого «еЧении и оксперіч-ч.чггпль'гаМ проверке его в плоской трубе., при праше.тш ішдпндрог! і! о реакторе с механическим перемешиванием. В третьей главе приведено исследование турбулентного
массообмена на начальном диффузнойном участке} там-же рассмотрен мас-сообмен (теплообмен) при обтекании плоской поверхности турбулентним потоком. D четвертой главе изложено исследование массоотдачи на дисках с кольцевыми участками, вращаицихся при турбулентном режиме движения в неограниченном пространстве и в кожухе, описана конструкция аппарата с вращающейся дисковой поверхностью теплообмена и покапана применимость соответствующих формул к расчету теплообмена в этом аппарате, описано применение метода "вращающегося диска" для определен ния физико-химических характеристик системы сахароза - водные растворы сахарозы. В пятой главе рассмотрена масооотдача в каналах зернистих слоев. Шестая глава посвящена анализу процесса экстрагирования сахара из свекловичной стружки в неподвижном слое и в диффузионных аппаратах непрерывного действия свеклосахарного производства, расчету ионообменной очистки воды. В седьмой паве приведеш результаты применения полученных в работе формул к расчету процессов тонкой очистки аэрозолей и теплообмена при больших числах Прандтля в трубах с гладкой стенкой, а Также рассмотрено влияние на теплоотдачу искусственной шероховатости.