Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Конденсационные процессы на поверхностях в условиях гравитационно-капиллярных сил 8
1.1 Способы интенсификации теплообмена 8
1.1.1 Ребра, проволочное оребрение, шипы 9
1.1.2 Зернистые слои 20
1.1.3 Гидрофобизация 48
1.2 Постановка задачи 51
ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование для исследований. методика измерении иэкспериментов 52
2.1 Конденсация на трубе в зернистом слое 52
2.2 Капиллярная пропитка 60
2.3 Гидродинамика 64
2.4 Модифицирование поверхности 76
ГЛАВА 3. Результаты исследований 83
3.1 Конденсация водяного пара на горизонтальной трубе 83
3.1.1 Эквивалентный диаметр порового канала 90
3.2 Конденсация на вертикальной трубе в зернистом слое 97
3.3 Исследования гидродинамики при «тонких» пленках жидкости 103
3.4 Исследования гидродинамики при толщине пленки жидкости соизмеримой с диаметром частиц 109
ГЛАВА 4. Практическое использование результатов г 1 д исследований
4.1 Анализ эффективности использования тепла в двухкорпуснои ваку ум-выпарной установке по производству сгущенного молока 119
4.2 Технические рекомендации для повышения тепловой эффективности вакуум-выпарной установки 149
Выводы 152
Библиографический список использованной
Литературы
- Ребра, проволочное оребрение, шипы
- Капиллярная пропитка
- Конденсация на вертикальной трубе в зернистом слое
- Технические рекомендации для повышения тепловой эффективности вакуум-выпарной установки
Введение к работе
Актуальность темы. В пищевой промышленности широко распространены выпаривание, перегонка, ректификация, сушка и другие, весьма энергоемкие процессы. Проведение этих процессов требует сложного и дорогостоящего оборудования, это часто приводит к тому, что доли затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования и затрат на тепловую энергию при получении пищевых продуктов являются определяющими при оценке их себестоимости.
Таким образом, повышение интенсивности проведения теплообменных процессов в технологическом оборудовании является важной актуальной задачей, решение которой во многом влияет на эффективность использования теплообменного и массообменного оборудования, его производительность, и в конечном итоге на качество и себестоимость продукции.
Одним из самых распространенных процессов подвода и отвода тепла в пищевых технологиях является процесс поверхностной конденсации греющего пара или пара отводимого из аппарата. При этом значения коэффициентов теплоотдачи достигаются много выше чем, например, при конвективном теплообмене. В связи с этим, интенсификация теплообмена при конденсации пара является актуальной задачей эффективного использования тепло-и массообменного оборудования пищевых производств.
В большинстве случаев при решении этой задачи применяется оребре-ние поверхности конденсации ребрами различной конфигурации, при этом достигается эффект увеличения коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза. Однако такой способ интенсификации теплообмена значительно усложняет конструкцию аппарата и что не менее важно применим, как правило, только для трубных пучков расположенных горизонтально. В связи с тем, что в таких конденсаторах в трубном пространстве отвод тепла осуществляется за счет конвективного теплообмена, увеличение коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза со стороны пара приводит к росту общего коэффициента теплопередачи только на 10-15 %. Часто в пищевой промышленности встречаются процессы, в которых за счет тепла конденсации производится кипячение продукта, это, в первую очередь, относится к таким теплообменникам как кипятильники в процессах перегонки и ректификации, в греющих камерах выпарных аппаратов и др. В таких условиях, при той же интенсификации, производительность теплообменника может возрасти в 1,5-2 раза. Однако в этих аппаратах трубный пучок из технологических соображений может устанавливаться только вертикально, а оребрение труб может привести даже к отрицательному результату.
В экспериментальных работах Петрика П.Т., Богомолова А.Р., Афанасьева Ю.О. и др. показано, что в присутствии на поверхности конденсации зернистого слоя может привести к увеличению коэффициента теплоотдачи в 3-4 раза, причем интенсификация теплообмена наблюдалась на трубах любой ориентации в пространстве. Опыты проводились при конденсации хладонов
различных марок с применением зернистых слоев из стеклянных шариков. Полученные указанными авторами данные не позволяют определить границы применимости такого способа интенсификации. Для выявления параметров и объяснения процессов, влияющих на теплообмен в присутствии зернистого слоя необходимо проведение детальных гидродинамических исследований и в первую очередь выявления механизма взаимодействия между пленкой конденсата и частицами слоя и влияния на это взаимодействие поверхностных сил.
Цель работы и задачи исследований. Целью работы является установление механизмов гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на поверхностях в зернистых средах с различными условиями поверхностного взаимодействия между частицами слоя и стекающей жидкости. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
проведение экспериментальных исследований гидродинамики жидкости и теплообмена при конденсации на поверхностях, помещенных в зернистый слой.
исследование влияния краевого угла смачивания зернистого материала на гидродинамику и теплообмен при конденсации водяного пара на поверхности в зернистом слое.
Научная новизна 1. Впервые получены экспериментальные данные по теплообмену при конденсации водяного пара на поверхности вертикального и горизонтального цилиндра, помещенного в зернистый слой из стеклянных шариков с поверхностью элементов, как практически полного смачивания (контактный угол около 17), так и частичного смачивания (контактный угол около 87), что позволила освоенная автором методика модифицирования стеклянной поверхности.
При конденсации водяного пара на вертикальной трубе в засыпке происходит интенсификация теплообмена, а на горизонтальной трубе в исследуемом диапазоне параметров возможно ухудшение теплообмена. Гидро-фобность засыпки оказывает снижающее действие на интенсивность теплоотдачи.
Проведенные гидродинамические исследования позволили объяснить различия в закономерностях теплообмена полученных при конденсации пара на поверхности в зернистом слое.
Для случая конденсации пара на горизонтальной трубе предложен параметр, значение которого определяет диапазон возможности применения зернистого слоя для интенсификации теплообмена.
Практическая значимость и реализация. Полученные результаты и разработанные на их основе физические модели, проведенный анализ процессов гидродинамики и теплообмена при конденсации на поверхностях, помещенных в зернистый слой с различным контактным углом смачивания, позволяют осуществлять научно-обоснованный выбор оптимальных параметров технологических процессов и геометрических размеров тепломассооб-менных поверхностей.
По результатам исследований разработана конструкция конденсатора с применением зернистого слоя в качестве интенсификатора теплообмена, а также предложено устройство по удалению неконденсирующихся газов из межтрубного пространства поверхностных конденсаторов. Проведенные испытания показали их эффективность.
Предложено использовать зернистый слой в межтрубном пространстве греющей камеры двухкорпусной вакуум-выпарной установки и конденсаторе производства сгущенного молока ООО «Кузбассконсервмолоко» р. п. Тяжин-ский. При этом расчетная производительность по выпариваемой воде может повыситься на 80%.
Материалы исследований, представленных в диссертации, используются в учебном процессе, включены в курсы лекций для студентов технологических и энергетических специальностей КузГТУ.
Автор защищает
Методы экспериментальных исследований гидродинамики жидкости в зернистом слое в статических и динамических условиях.
Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальной и вертикальной трубах, помещенных в зернистый слой с различным краевым углом смачивания.
Результаты экспериментальных исследований по гидродинамике течения пленки жидкости на вертикальной трубе и вертикальной пластине, помещенных в зернистый слой, моделирующей условия течения жидкости в пристенной области массообменных колонн пищевых производств и процесс конденсации пара.
Результаты экспериментальных исследований по высоте затопления зернистого слоя жидкостью в условиях моделирующих конденсацию пара на горизонтальной трубе.
Обобщение экспериментальных данных по теплообмену и гидродинамике при конденсации пара позволивших определить границы применимости зернистого слоя в качестве интенсификатора теплообмена.
Апробация работы. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, докладывались на VI, VII Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», ^Новосибирск, 2000, 2002г.; II Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, г.Томск, 2002г.; Ш Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, г.Барнаул, 2003г.; XXVI, XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре, г.Новосибирск, 2002, 2005г.; 2-ой областной конференции «Молодые ученые Кузбассу», г.Кемерово, 2003г.; 13-ой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность», г.Томск, 2007г.; X международной научно-практической конференции «Химия - XXI век. Новые технологии, новые продукты» г.Кемерово, 2008г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 7 в журналах рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Общий объем диссертации составляет 177 страниц текста, в том числе 56 рисунка и графика, 9 таблиц, список литературы из 84 наименований.
Ребра, проволочное оребрение, шипы
Исследования на оптимальность расстояния между дисками показали, что расстояние между дисками должно быть меньше 200 мм не только для хладона R113, но и для воды. Оптимальная величина шага расположения ребер с плоскими канавками р = 0,5 мм. Например, медная труба с ребрами высотой 0,87 мм, расположенными с шагом 0,5 мм, и дисками, установленными с промежутком 50 мм друг от друга, имеют средний коэффициент теплоотдачи в десять раз больше, чем гладкая труба. Кроме этого авторы [26] сделали вывод, что коэффициент теплоотдачи оптимизированной конденсационной поверхности с малыми ребрами и плоскими промежутками между ними близок к коэффициенту теплоотдачи при капельной конденсации. С точки зрения конденсации более предпочтительно ребро, кривизна боковой поверхности которого изменяется постепенно до нуля от конца к основанию.
Авторы работы [61] установили предпочтительную геометрию непрерывного оребрения поверхности горизонтальных труб для конденсации водяного пара при низкой теплопроводности материала труб. Результаты показывают, что в случае уменьшения теплопроводности материала трубы уменьшается и коэффициент теплоотдачи. Показано, что увеличение коэффициента теплоотдачи для труб происходит в случае уменьшения высоты ребра от 1,0 мм до 0,5 мм. Предпочтительная геометрия для указанных труб -0,5 мм высота ребра, 0,2 мм толщина верхней кромки ребра и 0,9 мм толщина основания ребра. Максимальный уровень повышения коэффициента теплоотдачи достигается на трубе с плотностью оребрения 512 ребер/м (13 ребер/дюйм) при высоте ребер 0,5 мм. Экспериментально получено увеличение коэффициента теплоотдачи по сравнению с гладкой трубой в 1,6-1,7 раза на титановых трубах с оребрением 310-512 ребер/м.
В работе [54] представлено экспериментальное исследование влияния шага оребрения на характеристики теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальных трубах с непрерывными поперечными ребрами. Эксперименты выполнены на 13 трубах, имеющих одинаковые ребра прямоугольного сечения (толщина 0,5 мм и высота 1,6 мм) и различный шаг ореб-рения (от 1,0 до 20,5 мм). Для сравнения исследована также конденсация на гладкой трубе, внутренний и наружный диаметр которой равны соответственно внутреннему диаметру оребренной трубы и диаметру ее внешней поверхности у основания ребра. Все эксперименты выполнены при давлении, близком к атмосферному, в условиях опускного вертикального движения пара со скоростью 0,5-1,1 м/с. Обнаруженная степень интенсификации теплообмена оказалась значительно выше, чем можно было ожидать исходя только из увеличения поверхности теплообмена. Не обнаружено заметного влияния скорости пара на интенсивность конденсации в исследованном диапазоне изменения параметра. Наибольшая степень интенсификации теплоотдачи на паровой стороне (относительно гладкой трубы) получена при шаге 2,0 мм (расстояние между ребрами 1,5 мм) и составляет приблизительно 3,6. Авторы проведенных исследований утверждают, что даже при конденсации водяного пара, когда термическое сопротивление на паровой стороне составляет, как правило, от 1/3 до 1/2 суммарного термического сопротивления между паром и охлаждающей средой, можно существенно улучшить характеристики теплообмена и соответственно уменьшить размеры конденсатора при той же нагрузке.
Возрастание плотности оребрения приводит к улучшению теплообмена благодаря увеличению эффективной поверхности, но и ухудшает теплообмен из-за увеличения капиллярного удерживания конденсата. Аналогично повышение коэффициента поверхностного натяжения одновременно уменьшает толщину пленки конденсата на отдельных частях оребренной поверхности и увеличивает капиллярное удерживание конденсата.
Яу и др. выполнили дальнейшее экспериментальное исследование влияние шага оребрения на характеристики теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальных трубах с непрерывными поперечными ребрами [53]. Исследовали также влияние «дренажных лент», установленных по нижней образующей оребренной и гладкой труб. В случае оребренных труб дренажные ленты приводят к значительному возрастанию коэффициента теплоотдачи, тогда как для гладкой трубы их влияние близко к погрешности эксперимента. В опытах, моделирующих конденсацию, измерены значения угла затопления ребер конденсатом поддонного слоя с применением воды, этиленг-ликоля и хладона R-113. Без дренажных лент результаты опытов удовлетворительно согласуются с теорией, с дренажными лентами из меди показано, что они приводят к значительному снижению доли затопленного конденсатом участка поверхности трубы. Для трубы с тефлоновой лентой коэффициенты теплоотдачи на паровой стороне были несколько ниже, чем для трубы без ленты.
Авторы [55] рассмотрели пленочную конденсацию водяного пара на горизонтальной трубе с проволочным оребрением. Большое внимание было уделено удалению воздуха в паре и недопущению капельной конденсации. Экспериментальные данные для диаметра проволоки 0,75 мм и 1,0 мм не приведены, но обобщение их показывает, что в отдельных случаях для небольших шагов спирали проволочного оребрения экспериментальные данные падают ниже результатов для гладкой трубы. Это объясняется увеличением удерживаемого конденсата с уменьшением шага спирали проволочного оребрения. Данные в координатах тепловой поток q — температурный напор AT хорошо согласуются с уравнением в форме q = ААТ3,А, где А - константа. Авторами этой работы были сделаны следующие выводы: 1) для каждого диаметра проволоки существует оптимальный шаг спирали; 2) лучшая производительность трубы была с меньшим диаметром проволоки (0,4 мм) и с шагом меньшим, чем 2,0 мм.
Капиллярная пропитка
В литературе широко представлены работы, посвященные экспериментальному исследованию процессов пленочной конденсации пара на непроницаемой охлаждаемой стенке. Во всех экспериментальных работах задача эксперимента сводилась к определению коэффициента теплоотдачи при конденсации пара в зависимости его от различных параметров. В основной массе работ коэффициент теплоотдачи определялся путем измерения разности температур между стенкой и конденсирующимся паром и измерения теплового потока к охлаждающей среде, в качестве которой, почти во всех случаях, применялась вода. Наиболее точными и широко применяемыми являются способы замера температуры стенки с помощью заделанных в нее термопар и термометров сопротивления. Средний коэффициент теплоотдачи определялся по выражению
В большинстве известных автору работ по экспериментальному определению теплоотдачи при конденсации пара, удельный тепловой поток определялся посредством измерения приращения энтальпии охлаждающей воды. О количестве изменения энтальпии судили по изменению разности температур охлаждающей жидкости на концах рабочего участка. Этот, сравнительно простой метод, позволяет определять тепловой поток с достаточно высокой точностью, но его применение ограничено тем, что он может быть использован при измерении больших тепловых потоков и для тех случаев, когда охлаждающая жидкость при прохождении через рабочий участок нагревается не ниже чем на 2 С. В противном случае, ошибка в измерении удельного теплового потока может достигать больших величин. Кроме того, такой метод может быть применен для тех случаев, когда в качестве рабочего участка применяются трубы круглого сечения и процесс теплопередачи изучается по всей ее поверхности, помещенной в пар.
Экспериментальные исследования теплообмена при конденсации пара на трубе, помещенной в зернистый слой, проводились на автоматизированном стенде, схема которого представлена на рис.2.3.1. Корпус стенда состоял 5 8 18 15 23 13 14 23 17 3 4 16 А-А Рис. 2.1.1. Схема экспериментальной установки: 1 - кипятильник; 2 - конденсатор; 3 - рабочий участок; 4 - контрольная труба; 5 - бак постоянного уровня; 6, 17, 18, 19 - вентили; 7, - ротаметр; 8 -подогреватель; 9 - расходомер; 10 - тэн; 77 - регулятор напряжения; 12 - шарнирная опора; 13 - манометр; 14 - датчик давления "Сапфир"; 75, 16, 18 - термопары; 20 - сетка; 21 - рабочая труба; 22 - зернистый слой; 23 - штуцера для вывода термопар из двух цилиндрических емкостей, расположенных под углом друг к другу. Одна из емкостей играла роль кипятильника 7, а вторая конденсатора 2. В конденсаторе были установлены: рабочий участок 3 и контрольный участок 4. В качестве рабочего участка использовалась медная трубка наружным диаметром 8 мм и длиной 400 мм, на которую был надет чехол 20 из сетки, закрытой с торцов заглушками. В полость между чехлом и трубкой засыпал 54 ся зернистый слой 22, состоящий из стеклянных шариков. Контрольный участок представлял собой такую же медную трубку, как и в рабочем участке, но без зернистого слоя. Для измерения температуры стенки трубки рабочего и контрольного участков в двух сечениях каждой трубки были зачеканены по пять хромель-копелевых термопар 15, 16. Для визуального наблюдения за процессом и контроля уровня жидкости в корпусе конденсатора и кипятильника были установлены окна с кварцевыми стеклами. Энергообеспечение стенда осуществлялось электрическим нагревателем мощностью 6 кВт. Мощность нагревателя регулировалась реостатом, позволяющим плавно изменять нагрев для производства водяного пара. Пар, образующийся в результате кипения, поступал в конденсатор, где конденсировался на рабочем участке 3. Кипятильник и конденсатор были теплоизолированы. Для исключения теплообмена через стенки конденсатора использовался охранный нагреватель, который нагревал стенки конденсатора до температуры, равной температуре насыщенного пара в конденсаторе. Подогреватель охлаждающей воды был изготовлен из медной трубы наружным диаметром 15 мм и длиной 1,2 м, на поверхность которой через слюдяную электроизоляционную прокладку был намотан нихромовый электронагреватель мощностью до 2 кВт. Регулировка мощности нагревателя осуществлялась путем подачи на него питания через автотрансформатор, а замер и контроль постоянства подаваемой энергии производили с помощью вольтметра и амперметра, включенных в цепь нагревателя. Кипятильник и конденсатор имели диаметр 100 мм, снабжены крышками и уплотнительными устройствами для вывода рабочего и контрольного (гладкая труба без засыпки) участков и шарнирной опорой 12, на которой кипятильник и конденсатор с рабочими участками могли устанавливаться под любым углом к горизонту.
Перед началом работы из рабочего объема стенда удалялись неконденсирующиеся примеси, так как даже небольшое их содержание может привес 55 ти к погрешностям в изучении процесса. В экспериментах использовались два способа по удалению неконденсирующихся газов из рабочего объема стенда.
Перед заправкой рабочий объем стенда вакуумировали (Рост 0,1 Па). После вакуумирования весь рабочий объем стенда заполнялся рабочей жидкостью (водой). Сливали небольшую часть воды через нижний вентиль. После этого при герметично закрытых вентилях производили нагрев воды до состояния кипения. Быстрым открытием верхнего вентиля производили процесс мгновенного вскипания. Эту процедуру повторяли такое количество раз, чтобы обеспечить надежное удаление растворенных неконденсирующихся примесей в воде.
Было разработано специальное устройство для удаления неконденсирующихся газов. Данное устройство позволяет удалять неконденсирующиеся примеси периодически в процессе работы стенда, при этом поддерживается чистота рабочего вещества на протяжении всего времени работы конденсатора. Схема устройства приведена в приложении. Проведенные испытания подтвердили его эффективность. Устройство было установлено в рабочем объеме стенда.
Работа стенда осуществлялась следующим образом. За счет подведенного тепла жидкость вскипала на поверхности кипятильника, и образовавшийся пар попадал в конденсатор 2, где конденсировался на охлажденной трубке рабочего участка, а полученный конденсат вновь попадал в кипятильник. В рабочий участок подавалась охлаждающая вода с заданной температурой и расходом. Расход охлаждающей воды регулировался вентилем 6. Измерения проводились при установившемся режиме. В ходе эксперимента измерялись следующие параметры:
Конденсация на вертикальной трубе в зернистом слое
Одним из самых распространенных процессов подвода-и отвода тепла в пищевых технологиях является процесс поверхностной конденсации греющего пара или пара отводимого из аппарата. В связи с этим, интенсификация теплообмена при конденсации пара является актуальной задачей эффективного использования тепло-и массообменного оборудования пищевых производств. Увеличение коэффициента теплоотдачи в два-три раза со стороны пара приводит к росту общего коэффициента теплопередачи только на 10-15 %. Часто в пищевой промышленности встречаются процессы, в которых за счет тепла конденсации производится кипячение продукта, это, в первую очередь, относится к таким теплообменникам как кипятильники в процессах перегонки и ректификации, в греющих камерах выпарных аппаратов и др. В таких условиях, при той же интенсификации, производительность теплообменника может возрасти в два раза. Однако в этих аппаратах трубный пучок из технологических соображений может устанавливаться только вертикально, а оребрение труб может привести даже к отрицательному результату. Производительность холодильных машин, используемых в пищевой промышленности, также во многом зависит от эффективности конденсаторов.
Как отмечалось в первой главе, для интенсификации процессов конденсации пара на наружной поверхности трубы можно использовать зернистые среды. Теоретические и экспериментальные работы по исследованию теплообмена при конденсации на поверхностях, помещенных в зернистый слой, проводились разными авторами [1, 27-32]. В экспериментальных работах в основном была получена интенсификация теплообмена по сравнению с гладкой поверхностью. При этом эксперименты проводились с использованием жидкостей, хорошо смачивающих поверхность, и краевой угол смачи 84 вания принимался равным нулю. В пищевой промышленности одним из самых распространенных теплоносителей является насыщенный водяной пар (вода).
Экспериментальные исследования теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе, помещенной в зернистый слой с различным краевым углом смачивания, проводились впервые. Методика проведения экспериментов изложена в разделе 2.1. В качестве зернистого материала использовались стеклянные шарики диаметром 3,2 мм. В ходе эксперимента измерялись следующие параметры: температура поверхности трубы хромель-копелевыми термопарами, установленными в двух сечениях трубы; расход охлаждающей воды внутри трубы поплавковым расходомером объемным методом; температура воды на входе и выходе хромель-копелевыми термопарами; давление в стенде образцовым манометром. В качестве парогенератора использовался электрический нагреватель с регулировкой мощности от 0 до 6 кВт. Материал рабочих труб - медь. Размеры труб: рабочая длина L = 400 мм, наружный диаметр — 8 мм. Краевой угол смачивания 0 в одном случае составлял 17—19, а в другом — 87-90. Таким образом, можно с уверенностью говорить о практически полной смачиваемости поверхности стеклянных частиц для первого опыта и частично гидрофобной поверхности во втором эксперименте.
Перед проведением опытов методом мгновенного вскипания из рабочего объема стенда удалялись неконденсирующиеся примеси. Эксперименты на гладкой трубе проводились для проверки правильности методики измерений и чистоты рабочего вещества. На рис. 3.1.1 представлены первичные данные в координатах а = /(АГ). ДЛЯ гидрофильного слоя в диапазоне изменения температурного напора АГ от 5 до (20-25)С средний коэффициент теплоотдачи а пропорционален АГ 1/4, как при пленочной конденсации Нуссельта. При больших температурных напорах для гидрофильной засыпки, начиная с АГ от (20-25) до 45 С коэффициент теплоотдачи остается практически постоянным и равным около (8-9 103Вт/(м2-К),т.е. мало зависит от АГ. Необходимо отметить, что интенсификации теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе, помещенной в зернистую среду как хорошо смачиваемую, так и частично, не происходит в исследуемом диапазоне тепловых потоков.
Результаты экспериментальных исследований представлены в координатах Nu =/(Re) на рис. 3.1.2. Число Нуссельта рассчитывалось по зависимости Nu={a/Z)(v2/gf, (3.1) где второй множитель выступает в качестве некоторого масштаба линейного размера пленки конденсата. Число Рейнольдса пленки определялось как Re = ql/(Mr), (3.2) где в качестве линейного размера / для горизонтальной трубы выступа 2 5 10 20 30 40 50 Рис. 3.1.2. Теплообмен при конденсации пара на горизонтальной трубе, помещенной в зернистый слой {d= 3,2 мм) с различными свойствами поверхности: 1 - расчет по Нуссельту; 2,7 - экспериментальные данные других авторов; 3, 4, 5, 6, - линии, усредняющие экспериментальные данные + — гидрофильный слой (Н20); — труба без слоя (Н20); ж — гидрофобный слой (Н20); Д — Петрик, Богомолов (фреон R12); ет периметр ее окружности лО. Средний коэффициент теплоотдачи а рассчитывался по отношению измеряемого удельного теплового потока q к температурному напору АГ, определяемому как разность между температурой насыщенного пара Ts и температурой стенки трубы Тс, a = q/AT = q/{Tsc). (3.3)
Опытные данные по конденсации на гладкой горизонтальной трубе удовлетворительно согласуются с теоретической зависимостью, предложенной Нуссельтом и опытными данными других авторов. Для теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе, помещенной в гидрофильный слой, наблюдаются три диапазона чисел Re, где закономерности теплообмена различны. При Re = 3,5...8,0 с увеличением теплового потока безразмерный коэффициент теплоотдачи уменьшается и пропорционален Re"1/3. В диапазоне чисел Re = 8,0... 12,0 коэффициент теплоотдачи практически не зависит от Re, но с увеличением теплового потока происходит скачкообразное снижение чисел Nu (причем случайным образом, т.е. при любом числе Рейнольдса). Возникновение этого скачка, вероятно, происходит при переходе от режима течения конденсата по поровым каналам без полного их заполнения по сечению к состоянию полного заполнения и, как следствие, затопления зернистого слоя конденсатом на определенную высоту. При дальнейшем увеличении теплового- потока (Re = 8,0... 12,0) вплоть до Re = 22,0 безразмерный коэффициент теплоотдачи прак-тически не изменяется и Nu = 0,21. Таким образом, можно предположить, что высота затопления поровых каналов зернистого слоя в этом- случае максимальна (полное затопление), а количество конденсирующегося пара эквивалентно количеству конденсата, удаляемого с поверхности охлаждения зернистым слоем (насос регулируемой производительности), т.е. соблюдаются условия постоянства средней условной толщины пленки.
В условиях частичной смачиваемости поверхности зернистого слоя теплообмен при конденсации водяного пара характеризуется двумя режимами, и как следствие, двумя закономерностями в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса (4,0...20,0). Характерно, что в диапазоне чисел от 4,0 до 8,0 коэффициент теплоотдачи уменьшается пропорционально Re-1. Численные значения безразмерного коэффициента теплоотдачи находятся ниже значений, соответствующих процессу конденсации в присутствии гидрофильного слоя. Начиная с чисел Рейнольдса, больших 8,0, с увеличением теплового потока безразмерный коэффициент теплоотдачи остается постоянным и равным 0,15 вплоть до максимально полученных в опытах чисел Рейнольдса, равных
Технические рекомендации для повышения тепловой эффективности вакуум-выпарной установки
Напомним, что при отсутствии температурной депрессии вторичный пар будет иметь температуру 66,5 С. Коэффициент теплопередачи определим из соотношения (термическим сопротивлением стенки пренебрегаем): к{= а а2 , (4.46) а, +а2 где а.] и а2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара и кипящего раствора, соответственно.
Будем считать, что происходит пленочная конденсация на наружной поверхности труб в межтрубном пространстве при температуре насыщения 83 С без переохлаждения конденсата. Пар поступает со степенью сухости х - 0,964 и конденсируется без переохлаждения. Средний коэффициент теплоотдачи при конденсации пара oti определим согласно теоретической зависимости Нуссельта: а-14"Р « = 0,943 JgS&i. (4.47) 3 fl 4хжДг,/7р ц.Дг/, 140 Здесь г = 2,3-10 Дж/кг - теплота фазового перехода при конденсации пара при температуре насыщения tKQmA = 83 С; АГ] = (tKomA - Алл) = 8,25 С - температурный напор между температурой насыщенного пара и температурой стенки трубы на стороне конденсации; fCT-4 = 74,75 С - принимаем среднюю температуру между температурой насыщенного пара и температурой кипения молока в 1-й ступени; рж = 972 кг/м3 - плотность конденсата; Хж = 0,675 Вт/(м-К) - теплопроводность конденсата; и.ж = 0,355-10"3 Па-с - динамическая вязкость конденсата; /тр — 1,5 м - длина вертикальной трубы теплообменника.
Средний коэффициент теплоотдачи аг при кипении водного раствора молока внутри труб определим по зависимости (первоначально принимаем, что происходит развитое пузырьковое кипение в трубах, когда удельная тепловая нагрузка q меньше критической qKp) а = 0,065 Н/м - поверхностное натяжение на границе пар-жидкость; tmn = 66,5 С - температура кипения раствора (молока); Д?кип = tKim - kr.2 = 8,25 С - температурный напор между температурой кипящей жидкости и температурой стенки трубы на стороне кипения; уж = 0,445-10"6 м2/с - кинематическая вязкость жидкости; Хж = 0,655 Вт/(м-К) - теплопроводность жидкости; рж = 980 кг/м -плотность жидкости; рп = 1/5,88 = 0,17 кг/м3 - плотность пара. = 0,075 + /
Видно, коэффициент теплоотдачи при кипении a2 больше коэффициента теплоотдачи при конденсации а.]. Известно, что коэффициент теплопередачи всегда меньше наименьшего коэффициента теплоотдачи. В связи с этим, рассматривая технические решения, направленные на повышение коэффициентов теплоотдачи, следует иметь в виду, что необходимо уделять внимание той стороне процесса, на которой значение коэффициента теплоотдачи меньшее. Известно, что можно повысить коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, создавая условия для уменьшения толщины пленки конденсата, тем самым, уменьшая термическое сопротивление. Таким способом является зернистый материал, который при плотном соприкосновении с поверхностью конденсации за счет сил поверхностного натяжения подтягивает пленку жидкости в местах контакта зернистого материала с поверхностью охлаждения, образуя жидкие мениски. При этом зернистый слой не создает большого гидравлического сопротивления для прохода пара к поверхности охлаждения. С увеличением теплового потока кроме подтягивания жидкости в местах контакта зерен с тепло-передающей поверхностью происходит ручейковое (струйное течение конденсата по поверхности конденсации) течение, также уменьшающее толщину пленки. При относительной толщине пленки на единицу эквивалентного диаметра зерна более 0,1 происходит отсос части конденсата в слой зернистого материала, что также сказывается на увеличении коэффициента теплоотдачи.
Удельный тепловой поток со стороны конденсации qx =a,Ar, = 5860-8,25 =48,345 кВт/м2. (4.51) Удельный тепловой поток со стороны кипения Чг = а2А кип = 6930-8,25 = 57,17 кВт/м2. (4.52) Величина критической тепловой нагрузки qKp при кипении жидкости (на горизонтальных трубах) #кр=0Л4гл/р /с#Рж = 0,14-2344-0,17 5-(0,065-9,81-980)0 25 = 676 кВт/м2. (4.53) 142 Таким образом, удельный действительный тепловой поток намного меньше критического, поэтому, как и предполагали, в трубах происходит пузырьковое кипение. Вычислим коэффициент теплопередачи по формуле 4.46, исключая незначительное термическое сопротивление стенки трубы ос,а2 586 6930 _ 2 к. =——— = =3175 Вт/(м -К). 1 а,+а2 5860 + 6930 Определим количество тепла, передаваемое от пара к кипящей жидкости в греющей камере 1-й ступени по формуле 4.44 Ql=klFlAtmjll =3175-130-16,5 = 6,81 МВт. Можно сделать вывод, что способность теплообменника в передаче теплоты достаточная, чтобы сконденсировался весь пар, поступающий в греющую камеру 1-й ступени в количестве 8,59 т/ч:
Таким образом, если увеличить расход греющего пара (магистрального и из 1-й ступени) примерно на 25 %, пар весь сконденсируется и его теплота будет обеспечивать дополнительное выпаривание воды из раствора. Другими словами, производительность по выпариваемой воде 1-й ступени может быть повышена на 25 %. Производительность 1-й ступени выпарной установки можно повысить на большую величину, если заполнить межтрубное пространство зернистым материалом, что повлечет за собой уменьшение толщины пленки конденсата и, соответственно, уменьшение термического сопротивления.
В настоящее время на работающей вакуум-выпарной установке происходит незначительное переохлаждение конденсата до температуры кипящей жидкости в трубном пространстве греющей камеры.
Процесс выпаривания (сгущения) молока во 2-й ступени выпарной установки Количество выпаренной воды в виде пара в 1 -й ступени в количестве т6 — 8,12 т/ч распределяется в соответствие с ранее проведенным расчетом на два потока. Первый поток в виде пара в количестве газ — 5,12 т/ч поступает через эжектор в смесительную камеру и направляется в греющую камеру 1-й ступени. Другая его часть в количестве т7 = т6 - тъ = 8,12 - 5,12 - 3 т/ч = 0,833 кг/с (4.55) поступает в качестве греющего пара во 2-й корпус выпарной установки. Это количество пара с параметрами (табл. 4.2, точка 3) подается в межтрубное пространство греющей камеры 2-й ступени. В сепараторе второй ступени образуется пар с параметрами, занесенными в табл. 4.4. Температура вторичного пара, образуемого в процессе кипения раствора во 2-й ступени tBtl2 — 51,3 С. Полезная разность температур во 2-ом корпусе Чо,2 = W - W= 66 5 " 51,3 = 15,2 С. (4.56) Примем, что температура стенки принимает среднее значение, т.е. t„л = 58,9 С. Температурный напор со стороны конденсации и кипения распределим пополам, т.е. At2 = (tK0im2 т.?) = 7,6 С и Агкип2 = (гкип.2 - ст.?) = 7,6 С.
