Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований 8
1.1. Свойства высокожирных дисперсных систем 8
1.1.1. Теплофизические свойства высокожирных дисперсных систем 8
1.1.2. Структурно-механические свойства высокожирных дисперсных систем 15
1.2. Термомеханическая обработка высокожирных дисперсных систем как основной фактор формирования структуры продукта 17
1.2.1. Роль термомеханической обработки в процессе получения сливочного масла 17
1.2.2. Особенности термомеханической обработки в процессе получения масла с комбинированной жировой фазой 25
1.3. Анализ особенностей конструкции и параметров работы ох ладителей пластинчатых маслообразователей 28
1.3.1. Влияние конструктивных параметров роторно пластинчатых охладителей на интенсивность теплообмена и затраты
мощности 31
1.3.2. Основы технологического расчета пластинчатых охладителей скребкового типа 37
1.4. Теоретическое обоснование выбранного направления и зада чи исследований 43
2. Организация работы и методы исследований... 46
2.1. Организация работы и схема исследований 46
2.2. Экспериментальная установка
2.3. Методы исследований и обработка экспериментальных данных 54
3. Исследование высокожирных дисперсных систем как объекта термомеханической обработки 57
3.1. Изучение изменений высокожирных дисперсных систем в процессе маслообразования в пластинчатых аппаратах 57
3.2. Исследование свойств высокожирных дисперсных систем 61
3.3. Выводы к главе 3 69
4. Исследование процесса охлаждения в роторно-пластинчатом теплообменнике 71
4.1. Математическое моделирование процесса охлаждения 71
4.1.1. Математическое описание процесса охлаждения в роторно пластинчатом охладителе 71
4.1.2. Разработка методики решения системы уравнений математического описания 78
4.1.3. Установление адекватности модели объекту
4.2. Исследование влияния различных параметров на затраты мощности при перемешивании в роторно-пластинчатом охладителе 89
4.3. Исследование гидравлического сопротивления пакета продуктовых пластин 97
4.4. Исследование характера движения модельной жидкости в продуктовом зазоре роторно-пластинчатого охладителя 107
4.5. Выводы к главе 4 109
5. Совершенствование существующих и разра ботка новых конструкций охладителей к пластинча тым маслообразователям 112
5.1. Пути совершенствования конструкций охладителей к пла стинчатым маслообразователям 112
5.2. Совершенствование существующих конструкций охладителей к пластинчатым маслообразователям 114
5.3. Совершенствование охладителя путем оптимизации схем компоновки
5.4. Совершенствование охладителя путем изменения конструкции продуктовых и охлаждающих пластин 128
5.5. Совершенствование охладителя путем изменения конструкции рабочих органов 131
5.6. Выводы к главе 5 134
6. Совершенствование технологических параметров работы пластинчатых маслообразователей 136
6.1. Совершенствование технологических параметров работы пластинчатого маслообразователя типа ОУА 136
6.2. Совершенствование технологических параметров работы пластинчатых маслообразователей с использованием усовершенствованного охладителя 139
6.3. Выводы к главе 6 146
7. Технико-экономическая оценка совершенст вования конструкции и технологических параметров работы пластинчатых маслообразователей 147
7.1. Оценка эффективности оптимизации схемы компоновки 147
7.2. Оценка эффективности совершенствования существующей конструкции охладителя (изменение схемы движения хладоносителя)... 149
7.3. Выводы к главе 7 150
Выводы 151
Литературные источники
- Структурно-механические свойства высокожирных дисперсных систем
- Экспериментальная установка
- Исследование свойств высокожирных дисперсных систем
- Исследование влияния различных параметров на затраты мощности при перемешивании в роторно-пластинчатом охладителе
Введение к работе
Актуальность работы. Процесс охлаждения в пластинчатых маслообра-зователях осуществляется в роторно-пластинчатых теплообменниках скребкового типа. Роторно-пластинчатые охладители широко используются при производстве сливочного масла, спредов, животных жиров и других жировых продуктов. При этом область их применения постоянно расширяется.
В современных конструкциях маслообразователей такой теплообменник используется не только в качестве охладителя высокожирной эмульсии, но и как охладитель-структурообразователь, в котором происходит формирование оптимальной структуры продукта. Это обстоятельство определяет основную роль процесса охлаждения в обеспечении качества получаемых жировых продуктов и повышении эффективности работы маслообразователей. При этом снижение затрат мощности на перемешивание высоковязких кристаллизующихся продуктов в процессе их охлаждения, при условии соблюдения всех необходимых технологических режимов, является важным условием снижения себестоимости продукции и повышения объемов производства.
Следует также учитывать, что с учетом постоянно расширяющегося ассортимента выпускаемых жировых продуктов, дальнейшее совершенствование конструкций и технологических параметров работы роторно-пластинчатых охладителей маслообразователей позволит вывести эти технологические аппараты на новый уровень развития, соответствующий этому ассортименту.
Значительный вклад в разработку принципиальных конструкций и технологических параметров работы роторно-пластинчатых охладителей внесли отечественные ученые А.П. Белоусов, Ал.Ан. Виноградов, Ан.Ал. Виноградов, Ф.А. Вышемирский, А.Д. Грищенко, С.С. Гуляев-Зайцев, Г.А. Ересько, В.М. Коваленко, П.В. Никуличев, А.В. Твердохлеб и др.
Таким образом, экспериментально-теоретические исследования процесса охлаждения, с целью совершенствования конструкции и технологических па-
раметров работы пластинчатых маслообразователей, являются с научной и практической точек зрения актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является исследование процесса охлаждения в пластинчатых маслообразователях, совершенствование их конструкции и технологических параметров работы.
В соответствие с поставленной целью в процессе исследований решались следующие задачи:
- экспериментально-теоретические исследования высокожирных дис
персных систем, как объекта термомеханической обработки;
разработка математической модели процесса охлаждения в роторно-пластинчатом охладителе, учитывающей параметры процесса отдельно в каждом продуктовом зазоре;
экспериментальное исследование влияния параметров механического воздействия, конструктивных особенностей и свойств продукта на работу роторно-пластинчатого охладителя;
совершенствование существующих и разработка новых конструкций охладителей к пластинчатым маслообразователям;
совершенствование технологических параметров работы пластинчатых маслообразователей;
технико-экономическая оценка совершенствования конструкций и технологических параметров работы пластинчатых маслообразователей.
Научная новизна. Схематизирован процесс преобразования высокожирных дисперсных систем в масло в различных моделях пластинчатых маслообразователей. Разработаны номограммы для определения коэффициента эффективной вязкости и теплофизических свойств высокожирных сливок. Исследованы реологические характеристики некоторых видов спредов.
Получена математическая модель процесса охлаждения в роторно-пластинчатом охладителе, позволяющая учитывать параметры процесса от-
дельно для каждого продуктового зазора и дифференцирование механического воздействия по длине аппарата.
Исследовано влияние ряда факторов на затраты мощности при перемешивании, гидравлическое сопротивление пакета пластин и характер движения модельной жидкости в продуктовом зазоре.
Определены перспективные направления совершенствования конструкций роторно-пластинчатых охладителей, способы их реализации и ожидаемые положительные эффекты. Разработана методика расчета роторно-пластинчатого теплообменника, на основе которой определены оптимальные схемы компоновки. Предложены перспективные конструкции охладителей к пластинчатому маслообразователю.
Усовершенствованны технологические параметры работы пластинчатых маслообразователей. Предложена технологическая схема производства масла, обеспечивающая дифференцированный процесс охлаждения.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2332843 «Охладитель сливок к маслообразователю».
Практическая значимость. Разработаны направления совершенствования технологических параметров и конструкции пластинчатого маслообразова-теля марки ОУА, а также конструкций роторно-пластинчатых охладителей различного назначения. Разработанные рекомендации по совершенствованию технологических параметров и конструкции пластинчатого маслообразователя марки ОУА прошли производственные испытания и внедрены на предприятиях молочной промышленности Ставропольского края.
Рекомендации по совершенствованию конструкций роторно-пластинчатых охладителей приняты к использованию при разработке теплообменников во ВНИМИ и ОАО НИИ «МИР-ПРОДМАШ» (г.Москва).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007), региональной научно-технической
конференции «Математическое моделирование и информационные технологии в технике, экономике и образовании» (Невинномысск, 2006 г.), региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007, 2008 г.), научно-технических конференциях по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Северо-Кавказского государственного технического университета (Ставрополь, 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.), представлены в материалах конкурса «СТАРТ-2009» (г.Краснодар).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, включая 1 статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 189 страницах, в том числе основной текст на 173 страницах, и состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы (170 наименований), 10 приложений и включает 19 таблиц и 71 рисунок.
Структурно-механические свойства высокожирных дисперсных систем
Вязкость сливок с повышением массовой доли жира увеличивается, данная зависимость наиболее ярко выражена при градиенте скорости деформации до 100 с"1 [50]. При повышении градиента скорости деформации наблюдается значительное понижение эффективной вязкости сливок (рисунок 1.2, в), вызванное механическим разрушением пространственной структуры (каркаса). При малом градиенте скорости деформации (у 100 с"1) пространственная структура разрушается обратимо, т.е. сливки обладают тиксотроп-ными свойствами. Это явление показано на рисунке 1.2 (б). В данном случае наблюдается четкий гистерезис вязкости, возникающий в результате разрушения структуры сливок при повышающемся градиенте скорости деформации и последующего тиксотропного восстановления ее, при снижении градиента скорости деформации [50].
Вопрос о предсказании вязкости смеси двух жидкостей, вязкость каждой из которых задана, достаточно сложен [111]. Она может быть и меньше и больше ожидаемого среднего значения вязкости. Таким образом, для молоч-но-жировых дисперсных систем зависимость эффективной вязкости от температуры и градиента скорости деформации необходимо определять экспериментально.
Маслообразование представляет собой термомеханическую обработку высокожирных сливок, обеспечивающую фазовый структурный переход, когда система «жир в плазме» (высокожирные сливки) изменяется на систему «плазма в жире», характерную для сливочного масла.
График процесса преобразования высокожирных сливок в масло: I, II, III -- стадии процесса (III а - зона недостаточной механической обработки; III б - оптимальная зона; III в - зона излишней механической обработки); 1 - температура; 2 - консистенция; 3 - твердость; 4 - скорость отвердевания
Характерной особенностью первой стадии (I) является охлаждение сливок до температуры начала массовой кристаллизации глицеридов (22 4- 23 С), без существенных изменений жировой эмульсии [120].
На второй стадии процесса (II), при охлаждении высокожирных сливок ниже 23 С и перемешивании их, начинается массовая кристаллизация высокоплавких групп глицеридов. В этот же момент происходит быстрая дестабилизация дисперсной системы и образуется непрерывная жировая фаза, что создает благоприятные условия для роста кристаллов. По мере продвижения продукта в аппарате быстро нарастает скорость его отвердевания, что свидетельствует об интенсивности процесса кристаллизации и возрастающей способности системы образовывать прочный кристаллический каркас. Консистенция масла полученного на второй стадии процесса после охлаждения до отрицательных температур, всегда грубая крошливая, так как основной процесс кристаллизации протекает в продукте, находящемся в ящиках и не подвергающемуся перемешиванию [120].
\ На третьей стадии (III), под влиянием механического перемешивания жидкой и твердой фракций жира, продукт постепенно теряет способность образовывать крупные агрегаты кристаллов и формировать прочную кристаллическую структуру. Характерным для третьей стадии является уменьшение скорости отвердевания масла, выходящий из аппарата продукт становится более текучим. Полученный в начале третьей стадии продукт (III, а) еще способен образовывать довольно прочную кристаллизационную структуру, поэтому после охлаждения он имеет слегка крошливую консистенцию [120].
По мере дальнейшего перемешивания наступает оптимальный период термомеханической обработки (III, б), при котором в маслообразователе выкристаллизовывается достаточное количество глицеридов и достигается равномерное распределение жидкой фракции жира. Этим создаются наиболее благоприятные условия для формирования оптимальной структуры готового продукта после выхода его из аппарата. Дальнейшее пребывание масла в аппарате (III, в) влечет за собой излишнее механическое воздействие на кристаллизующийся жир. В результате этого прочностные связи кристаллической системы готового продукта настолько ослабевают, что он приобретает излишне мягкую консистенцию и плавится при комнатной температуре [120].
Никуличев установил, что для наибольшего отвердевания молочного жира в маслообразователе необходимо прекратить перемешивание продукта в конце II стадии процесса, продлив, таким образом, эту наиболее активную стадию кристаллизации [118]. На основе исследований Никуличевым был разработан экспериментальный маслообразователь, в котором осуществляются вначале интенсивное охлаждение продукта до 11 + 16 С, с одновременным перемешиванием его, затем кристаллизация молочного жира в течении 200 с без механического воздействия на жировую фазу и, наконец, регулируемая обработка перед выходом из аппарата. Соответственно такой маслообразователь состоит из охлаждающей секции, кристаллизатора и обработника.
Экспериментальная установка
Ан.Ал. Виноградов [25] предлагает схематизировать процесс теплообмена в аппаратах скребкового типа следующим образом. В процессе работы охлажденный тонкий слой продукта, непосредственно примыкающий к теп-лопередающей стенке, непрерывно удаляется скребками и перемешивается с остальным объемом, а на его место поступают новые порции продукта, которые, соприкасаясь с очищенной поверхностью теплообменной стенки, вновь охлаждаются. Процесс теплообмена между теплопередающей стенкой аппарата и прилегающим к ней элементарным объемом продукта, является таким образом нестационарным.
Основываясь на предположении, что скребки полностью очищают теп-лообменную поверхность от продукта и новая его порция в момент соприкосновения со стенкой имеет температуру объема жидкости, а изменение температуры в пограничном слое за время контакта происходит на небольшой части его толщины, Ан.Ал. Виноградов получил формулу для расчета коэффициента теплоотдачи со стороны продукта ар -1,13 1 Я-с-p-n-z, (1-23) где (Хр - коэффициент теплоотдачи со стороны продукта, Вт/(м -К); п — частота вращения скребкового вала, об/с; z - число скребков; Я - коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м-К); с — удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг-К); р— плотность продукта, кг/м . Подобное решение было получено также Ересько [73, 84] для роторно-пластинчатых охладителей и Конвисером [101] для расчета теплообмена в цилиндрических аппаратах с очищаемой поверхностью типа «Вотатор».
Поскольку зависимость (1.23) не учитывает влияние отдельных частных факторов, таких как поступательная скорость движения продукта, осевое рассеивание тепла и некоторых других, была найдена зависимость для описания теплообмена в роторно-пластинчатом охладителе в следующем виде [24]
Анализируя уравнения (1.23) и (1.29) видно, что расчетная и экспериментальная формулы связывающие интенсивность теплообмена с параметрами работы и свойствами продукта, аналогичны и отличаются лишь величиной коэффициента пропорциональности.
Это объясняется наличием несчищаемого слоя продукта, образующегося вследствие неполного удаления его скребками с теплообменной поверхности, что обусловлено наличием неровностей на охлаждающих пластинах, остающихся после механической обработки [25].
При исследовании работы цилиндрических скребковых охладителей также отмечено существенное влияние на величину коэффициента теплопередачи полноты очистки поверхности рабочего цилиндра от продукта [42, 147]. При неполном счищении слоя продукта, имеющего толщину всего лишь несколько десятых долей миллиметра, интенсивность теплообмена заметно снижается в результате значительного дополнительного термического сопротивления, оказываемого этим слоем. При этом значение коэффициента теплопередачи может понижаться на 10 -г- 25 % [147].
Появление ReM кр в формулах (1.25) ... (1.27) связано с наличием несчищаемого слоя продукта. С увеличением частоты вращения скребкового вала толщина переохлажденного слоя продукта, образующегося у теплообменной поверхности в промежутке времени между двумя последовательными проходами скребка, постепенно уменьшается и становится близкой к толщине несчищаемого слоя продукта. В этот момент, когда ReM становится равным ReM крі дальнейшее увеличение частоты вращения не приводит к существенному росту интенсивности теплообмена [25].
Уравнение (1.29) получено на основе экспериментов, в которых в качестве модельной жидкости использовалось авиационное масло МС-20, следовательно, это уравнение не подходит для расчета процесса теплообмена при охлаждении высокожирных сливок, поскольку в этом случае слой продукта, контактирующий с теплообменной стенкой не только переохлаждается, но и частично кристаллизуется.
Ересько [71, 111] проведя ряд исследований с использованием высокожирных сливок получил, следующую зависимость а = 0,29 1 Л -с- p-n-z. (1.30) Из уравнений (1.23), (1.29) и (1.30) видно, что кристаллизация охлаждающегося продукта оказывает существенное влияние на процесс теплообмена. Формула (1.30) является основной расчетной формулой процесса теплопередачи в пластинчатых охладителях скребкового типа при охлаждении высокожирных сливок.
Исследование свойств высокожирных дисперсных систем
Из пластинчатых маслообразователей в настоящее время наиболее распространенным является аппарат типа ОУА, технологический процесс в котором характеризуется следующими особенностями: - охлаждение высокожирной дисперсной системы до температуры 11 4- 13 С происходит в процессе термомеханического воздействия в охла дителе; - смена фаз начинается в охладителе и завершается в обработнике; - первичное структурообразование осуществляется в результате интенсивного механического воздействия в обработнике. Пластинчатый маслообразователь типа ОМС снабжен дополнительным устройством — дестабилизатором, для быстрого разрушения дисперсной системы «жир в воде» и последующей смены фаз. Технологический процесс в данной конструкции характеризуется следующими особенностями: - охлаждение до температуры начала кристаллизации глицеридов молочного жира (22 -г- 23 С) в процессе термомеханического воздействия в охладителе; - дестабилизация высокожирной дисперсной системы в дестабилизато-ре в результате интенсивного механического воздействия; - охлаждение до конечной температуры и первичное структурообразование в процессе термомеханического воздействия в структурообразователе.
Особенности технологического процесса, реализуемые в маслообразо-вателе типа ОМС, обусловлены необходимостью максимально быстрой дестабилизации высокожирной дисперсной системы (особенно при повышенном содержании влаги).
Вследствие повышенного содержания влаги в масле на промежуточной стадии маслообразования получают продукт типа масляного зерна и для получения масла требуемого качества, с тонко диспергированной плазмой, необходимо интенсифицировать механическое воздействие на продукт [142]. Быстрая смена фаз позволяет избежать дополнительных затрат энергии на тонкое диспергирование влаги, за счет того, что при быстрой (лавинообразной) дестабилизации молочная плазма находящаяся между жировыми шариками, не успевает сливаться в крупные капли [141].
В результате обобщения, анализа и систематизации литературных данных процесс маслообразования для масла с различным содержанием жира, при использовании различных моделей пластинчатых маслообразователей, можно представить в виде цепочки последовательных преобразований высокожирной дисперсной системы из одного вида в другой, представленной на рисунке 3.1. Характеристика каждого вида высокожирной дисперсной системы и промежуточных стадий процесса, из схемы показанной на рисунке 3.1, представлены в таблицах 3.1 и 3.2.
Из рисунка 3.1 видно, что процесс маслообразования, в зависимости от конструкции пластинчатого маслообразователя, протекает различным образом, так в аппарате типа ОМС процесс более дифференцированный, что позволяет тщательней подбирать режимы обработки на отдельных технологических стадиях.
В модели ОМС переход к промежуточному состоянию ВЖДС 2 характеризуется тем, что заканчивается I стадия и одновременно начинаются III и IV стадии. В модели ОУА, когда одновременно начинаются I, II и III стадии, промежуточного состояния ВЖДС 2 еще нет, а когда они завершаются, то его уже нет. Аналогично происходит и с промежуточным состоянием ВЖДС 4.
Последовательность преобразований высокожирной дисперсной системы (ВЖДС) в процессе маслообразования в различных моделях пластинчатых маслообразователей, при выработке масла: а) обычной жирности; 6) пониженной жирности $ Таблиі да 3.1 — Характеристики высокожирных дисперсных систем Виддисперснойсистемы Характеристика высокожирной дисперсной системы ВЖДС1 Жировые шарики с жидким жиром равномерно распределены в молочной плазме, вследствие высокой температуры кристаллизация отсутствует, стабильность дисперсной системы высокая ВЖДС2 Происходят первые стадии кристаллизации жира в периферийной части жировых шариков, стабильность дисперсной системы резко снижается ВЖДСЗ Дисперсная система дестабилизирована, образована непрерывная жировая фаза, влага диспергирована недостаточно, небольшая часть жира находится в твердом состоянии ВЖДС4 Дисперсная система дестабилизирована, влага равномерно и тонко диспергирована в непрерывной жировой фазе, небольшая часть жира находится в твердом состоянии ВЖДС5 Влага равномерно и тонко диспергирована в непрерывной жировой фазе, закристаллизовано достаточное количество жировой фазы для обеспечения коагуляционно-кристаллизационной структуры масла ВЖДС6 Завершены все кристаллизационные и полиморфные превращения в жировой фазе, структура продукта полностью соответствует маслу Таблица 3.2 - Описание промежуточных стадий процесса маслообразо вания Стадия процесса Характеристика промежуточной стадии процесса I Предварительное охлаждение высокожирной дисперсной системы до температуры начала кристаллизации молочного жира II Охлаждение от температуры начала кристаллизации молочного жира до конечной температуры III Дестабилизация высокожирной дисперсной системы и смена фаз IV Тонкое и равномерное диспергирование влаги в непрерывной жировой фазе V Первичное структурообразование VI Вторичное структурообразование и окончательное формирование структуры масла в процессе хранения В пластинчатом маслообразователе типа ОУА при производстве масла с повышенным содержанием влаги увеличивается продолжительность IV стадии процесса (переход из ВЖДС 3 в ВЖДС 4).
В маслообразователе типа ОМС за счет применения дестабилизатора вид высокожирной дисперсной системы ВЖДС 3 практически отсутствует, поскольку на выходе из дестабилизатора влага в жировой фазе диспергирована достаточно тонко.
Из анализа схем видно, что одним из наиболее перспективных направлений совершенствования конструкции и технологических параметров работы пластинчатых маслообразователей, является реализация быстрой смены фаз без применения специальных дестабилизирующих устройств.
Следует отметить, что границы между промежуточными стадиями процесса и видами высокожирных дисперсных систем в некоторой степени условные (например, небольшая часть жировых шариков дестабилизируется еще на I стадии процесса).
По формулам (1.3), (1.5), (1.11), (Ы6), (1.19) и (1.20) построены номограммы для определения коэффициента эффективной вязкости и теплофизи-ческих свойств высокожирных сливок (рисунки 3.2.. .3.4).
Для определения теплофизических свойств использованы сетчатые номограммы с равномерными шкалами, для определения коэффициента эффективной вязкости — сетчатая с равномерными и логарифмическими шкалами [149]. «Ключи» к номограммам также показаны на рисунках 3.2...3.4. Сравнение значений, полученных по номограммам и рассчитанных по соответствующим формулам, представлено в приложении 1.
Исследование влияния различных параметров на затраты мощности при перемешивании в роторно-пластинчатом охладителе
Из графиков, представленных на рисунках 4.7...4.11 видно, что с повышением вязкости перемешиваемого продукта и частоты вращения рабочих органов отмечается существенное увеличение потребляемой мощности, как для дисков, так и для крестовин. При наибольших значениях вязкости и частоты вращения, мощность на вращение дисков превышает мощность на вращение крестовин на 5 -т- 8 %, а при минимальных значениях вязкости и частоты вращения значение мощностей практически одинаковое.
Полученные результаты можно объяснить тем, что при увеличении частоты вращения и вязкости, увеличивается скорость вращения прилегающих к поверхности рабочих органов слоев перемешиваемой жидкости и, следовательно, увеличиваются потери на трение рабочих органов о жидкость.
Следовательно, вид рабочего органа влияет на затраты мощности, однако для диапазонов значений частоты вращения и вязкости жидкости, которые характерны для охладителей к маслообразователям, отмеченная особенность практически не влияет на условия процесса охлаждения.
С целью исследования влияния ширины продуктового зазора на затраты мощности на перемешивание при использовании различных рабочих органов, в пластинчатом модуле экспериментальной установки, между продуктовой секцией и пластиной заменяющей охлаждающую пластину, устанавливали дополнительные уплотнения, позволяющие увеличить ширину продуктового зазора с 16 мм (как в охладителе к маслообразователю типа ОУА) до 18 мм. Графики полученных зависимостей представлены на рисунке 4.12.
Частота вращения, об/с Из рисунка 4.12 видно, что с увеличением ширины продуктового зазора повышается мощность на перемешивание, причем с увеличением частоты вращения разность между кривыми 1 и 2 увеличивается.
На первый взгляд, полученные зависимости являются не совсем логичными, поскольку увеличение ширины продуктового зазора напрямую не влияет ни на одно из перечисленных выше четырех сопротивлений, действующих на вращающийся рабочий орган. Полученный результат можно объяснить следующим образом. В процессе охлаждения происходит вращение потока жидкости вслед за рабочими органами. При увеличении ширины продуктового зазора, увеличивается его объем и, соответственно, масса жидкости находящаяся в нем, одновременно с этим, увеличивается зазор между поверхностью крестовины (или диска) и скребком. За счет указанных особенностей, при увеличении ширины продуктового зазора, происходит снижение скорости вращения жидкости, вследствие чего, повышается разность скоростей между потоком жидкости и рабочими органами и, соответственно, увеличивается скорость потока набегающего на скребки и прижимающего их к охлаждающим пластинам. В этом случае увеличивается лобовое сопротивление, оказываемое на скребок со стороны продукта и потери на трение скребка о теплообменную поверхность.
В ходе экспериментов влияние давления и расхода модельной жидкости на затраты мощности на перемешивание не обнаружено.
Для определения гидравлического сопротивления замерялась разность давлений на входе и выходе из пластинчатого модуля экспериментальной установки. Используемые при этом приборы, экспериментальная установка и методика проведения исследований описаны в главе 2. Поскольку в пластинчатом маслообразователе типа ОУА после охладителя расположен обработник, то в первых продуктовых зазорах охладителя необходимо создать давление, достаточное для перекачивания продукта через всю систему, т.о. гидравлическое сопротивление роторно-пластинчатого охладителя, влияет не только на значение мощности потребляемой продуктовым насосом, но и на толщину стенки в охлаждающих пластинах.
Уравнение для определения потерь давления, имеет следующий вид [88] . 1К со2 р А „со2 Р гл л Ap = A-f -J± + — , (4.46) экв 1=1 где Ар — потери давления в охладителе, Па; Я — коэффициент гидравлического сопротивления; 1К — длина канала, м; d3Ke — эквивалентный диаметр канала, м; со — усредненное значение скорости потока по сечению канала, м/с; р- плотность жидкости, кг/м ; f - безразмерный коэффициент местного сопротивления. Гидравлическое сопротивление, при движении продукта в роторно-пластинчатом охладителе, с крестовинами в качестве рабочих органов, слагается из следующих местных сопротивлений: - на входе и выходе потока из охладителя; - при переходе продукта из одного продуктового зазора в другой, через центральное или периферийные отверстия охлаждающих пластин; - движению продукта внутри продуктового зазора от центра к периферии или наоборот.
При использовании в качестве рабочих органов дисков, добавляется местное сопротивление при повороте потока в продуктовом зазоре на 180 вокруг наружной кромки диска и увеличивается сопротивление движению / продукта внутри продуктового зазора, за счет уменьшения ширины канала для движения продукта и увеличения его длины.
Однако, определение всех местных сопротивлений по раздельности весьма затруднительно и нецелесообразно, поскольку количество местных сопротивлений пропорционально только числу пластин и не может меняться под влиянием каких-либо других факторов. Таким образом, весь охладитель можно условно рассматривать как систему каналов с неизменным числом местных сопротивлений и рассчитывать по формуле Ар = Япр- - - , (4.47) где Лпр — приведенный коэффициент гидравлического сопротивления.
В ходе исследований температуру и расход масла поступающего в пластинчатый модуль экспериментальной установки, изменяли в следующих диапазонах: температура от 20 С до 65 С; производительность от 300 до 1500 кг/ч. Это обеспечивало изменение значений критерия подобия Рейнольдса, учитывающего режим поступательного движения продукта Rea и критерия подобия Прандтля Рг в следующих диапазонах: 1 Rea 115; 103 Рг 1,1 104.
