Аннотация

Исследовано влияние на теплообмен различных способов введения воздуха в греющую воду, подаваемую в рубашки роторного распылительного испарителя. Для ввода воздуха использовались трубки различного конструктивного исполнения. Влияние турбулизации на теплообмен оценивалось с использованием коэффициента концентрирования. Определены рациональное соотношение подачи воздуха в греющую воду и конструктивное исполнение вводной трубки.

Ключевые слова

Турбулизация, коэффициент концентрирования, роторный распылительный испаритель, теплообмен, греющая вода

ВВЕДЕНИЕ

Введение Для более полного удовлетворения потребностей населения в продуктах питания необходимо повысить качество и увеличить объем производства консервированных продуктов, получаемых путем выпаривания. Решение этой задачи возможно только при использовании прогрессивных технологий и соответствующего аппаратурного оформления. В настоящее время для концентрирования жидких пищевых продуктов широко используются роторные выпарные аппараты, в семейство которых входит роторный распылительный испаритель (РРИ) [1], представляющий собой теплообменник, изготовленный из двух концентрических, круглых труб. В кольцевом зазоре между трубами (греющей рубашке РРИ) движется горячий теплоноситель (обычно вода). Тепловой поток передается от теплоносителя через внутреннюю стенку упариваемому продукту [2, 3]. Такой способ обогрева поверхности теплообмена отличается простотой конструкции, экономичностью (ввиду невысокой стоимости горячей воды), меньшим рабочим давлением и др. Но, несмотря на перечисленные достоинства, возможность создания высоких значений коэффициента теплопередачи ограничена. Следовательно, становится актуальной задача интенсификации теплообмена между греющим агентом и стенкой - корпусом РРИ. Решение этой задачи позволит повысить эффективность теплообмена в РРИ. В частности, в [3] отмечается, что коэффициент теплоотдачи от греющей стенки к раствору ниже, чем на контактном элементе РРИ. Интенсифицировать теплоотдачу в греющей рубашке РРИ можно путем повышения скорости потока теплоносителя, турбулизацией потока различными завихряющими устройствами и другими способами [4]. При выборе способа турбулизации потока с целью интенсификации процесса теплообмена необходимо стремиться к минимизации энергетических затрат на прокачивание теплоносителя через греющие элементы теплообменного аппарата. С этой точки зрения наиболее подходящим представляется способ турбулизации потока жидкости струей инертного газа (воздуха), вводимой в него. Данный способ не требует каких-либо серьезных изменений в конструкции теплообменного аппарата при его модернизации, потребление энергии на инжектирование струи воздуха в поток жидкости незначительно [1]. Но, несмотря на явную перспективность вышеуказанного метода интенсификации теплообмена, каких-либо данных по исследованию влияния степени турбулизации потока теплоносителя в греющей рубашке выпарного аппарата инжектированным в него воздухом на величину теплоотдачи в доступной литературе не найдено. Поэтому целью настоящего исследования являлась оценка влияния способов введения струи газа в поток горячей воды на интенсивность теплообмена в РРИ. Объекты и методы исследований Исследования выполнены на экспериментальной выпарной установке, описанной в [5]. Роторный распылительный испаритель представляет собой цилиндрический аппарат диаметром 0,15 м, внутри которого расположен вращающийся ротор и шесть контактных элементов (КЭ). Частота вращения ротора 90 с-1. КЭ состоит из распылителя, питающей тарелки и пристенного каплеотбойника. Распылитель имеет характеристики: диаметр диспергирующего устройства - 0,075 м; его высота - 0,042 м; диаметр распыливающих отверстий - 0,002 м; количество рядов отверстий - 7; количество отверстий в одном ряду - 32 (отверстия расположены в шахматном порядке); высота контактного элемента - 0,13 м. Пристенный каплеотбойник выполнен в виде набора вертикальных металлических пластин шириной 8 мм, установленных с шагом 3,5 мм под углом 15° к касательной, проведенной к поверхности диспергирующего устройства. В газоходах питающей тарелки установлены под углом 15° к горизонтали направляющие лопатки. Это позволяет направлять пар вслед за вращающимся диспергирующим устройством, т.е. пар и капли жидкости движутся на КЭ в условиях, близких к прямотоку. Корпус имел наружный диаметр D = 0,159 м; внутренний диаметр рубашки составлял D' = 0,219 м, т.е. имело место отношение D'/D = 1,38. Греющая поверхность охватывала все шесть КЭ и состояла из двух рубашек высотой 0,256 и 0,27 м, горячая вода вводилась радиально в нижнюю часть рубашки и выводилась из верхней в условиях непрерывной циркуляции с промежуточным подогревом до нужной температуры перед поступлением в нижнюю часть рубашки [6, 7]. В качестве модельной системы использовался водный раствор поваренной соли (NaCl) с начальной концентрацией СН = 8 % масс. Исследования проводились при подаче воздуха VВОЗД = (0,94…7,47)⋅10-5 м3/с, подаче продукта VН = 0,8⋅10-5 м3/с, давлении Р = 0,92 МПа, температуре греющего агента ТВН = 365…373 К, расходе греющего агента VВ = 9,22⋅10-4 м3/с. Для изменения турбулизации теплоносителя ввод воздуха в поток горячей воды осуществлялся через трубки диаметром 6 мм, с толщиной стенки 1 мм, различного конструктивного исполнения (рис. 1). Вертикальная часть вводных трубок устанавливалась во входном патрубке диаметром 20 мм на расстоянии 120 мм от рубашки РРИ. Для варианта а (см. рис. 1) длина прямого участка вводной трубки, установленного по оси входного патрубка, составляла 30 мм. В остальных вариантах нижний торец вводной трубки устанавливался непосредственно на стенку патрубка. Вводные трубки по вариантам а, г, д имели одинаковое выходное сечение. Торцы трубок в вариантах г, д были заглушены. При проведении исследований эффективность теплообмена в РРИ оценивалась с использованием коэффициента концентрирования: , (1) где VК, VН - соответственно конечный и начальный объем упариваемого продукта, м3. Таким образом, из (1) следует, что с уменьшением коэффициента ε эффективность теплообмена возрастает. Степень насыщения греющей воды воздухом оценивалась через коэффициент насыщения: , (2) где Vвозд, Vв - соответственно расход воздуха и воды, м3. Результаты и их обсуждение Анализ данных, представленных на рис. 2-4, показывает, что независимо от характера конструктивного исполнения ввода воздуха в теплоноситель при увеличении коэффициента j до j = 0,07 коэффициент концентрирования снижается, а на участке с j = 0,07 до j = 0,089 - возрастает. Рис. 2. Зависимость коэффициента концентрирования от коэффициента насыщения греющей воды (ТВН = 365 К) при различных вариантах ввода воздуха: 1 - д; 2 - г; 3 - б, α = 60°; 4 - б, α = 45°; 5 - б, α = 30°; 6 - б, α = 15°; 7 - в, α = 10° Рис. 3. Зависимость коэффициента концентрирования от коэффициента насыщения греющей воды (ТВН = 369 К) при различных вариантах ввода воздуха: 1 - д; 2 - г; 3 - б, α = 60°; 4 - б, α = 45°; 5 - б, α = 30°; 6 - б, α = 15°; 7 - в, α = 10° Повышение температуры греющей воды также приводит к снижению значения коэффициента концентрирования. Наиболее эффективно процесс упаривания осуществляется при ТВН = 373 К. Процесс упаривания солевого раствора в РРИ при вводе воздуха в греющую воду через трубки по вариантам б, в (см. рис. 1), т.е. с различным углом среза α, представляет практический интерес. При этом коэффициент концентрирования ε при испытанных температурах греющей воды достигает наименьших значений при угле среза α = 10° (рис. 1, в). По данным [4] вариант а обеспечивает коэффициент концентрирования на 6 % выше, чем вариант в (см. рис. 1). Рис. 4. Зависимость коэффициента концентрирования от коэффициента насыщения греющей воды (ТВН = 373 К) при различных вариантах ввода воздуха: 1 - д; 2 - г; 3 - б, α = 60°; 4 - б, α = 45°; 5 - б, α = 30°; 6 - б, α = 15°; 7 - в, α = 10° Полученные результаты, на наш взгляд, можно объяснить следующим образом. Греющий агент (вода) в рубашках перемещается в условиях вынужденного движения. Передача тепла к стенке РРИ осуществляется в условиях конвективного теплообмена. Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулизирован весь поток жидкости и чем интенсивнее осуществляется перемешивание ее частиц. Таким образом, конвекция напрямую связана с механическим переносом тепла и существенно зависит от гидродинамических условий течения жидкости. Введение воздуха в поток греющей воды сопровождается повышением турбулизации - воздух в потоке распределяется в виде пузырьков, что интенсифицирует процесс перемешивания теплоносителя. Положительный эффект будет сохраняться до тех пор, пока воздух будет продолжать дробиться на пузырьки. В противном случае теплоотдача ухудшается, в нашем случае при j > 0,07. Различное конструктивное исполнение трубок ввода воздуха в поток теплоносителя обеспечивает различное распределение воздуха в виде пузырьков в потоке греющей воды. Можно утверждать, что вариант ввода в (см. рис. 1) обеспечивает более тонкое дробление воздуха и более интенсивное перемешивание теплоносителя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гриценко, В.В. Применение метода анализа размерностей для исследования процесса теплоотдачи в кольцевом канале греющей рубашки роторного распылительного испарителя / В.В. Гриценко; Рубцовский индустриальный институт (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». - Рубцовск, 2009. - 7 с. - Библиогр.: 7 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 08.07.09, № 457-В2009.
2. Сорокопуд, А.Ф. Разработка и совершенствование роторных распылительных аппаратов с целью интенсификации процессов в гетерогенных газожидкостных системах: дис. … докт. техн. наук: 05.18.04, 05.18.12: защищена 21.05.1998 / Сорокопуд Александр Филиппович. - Кемерово, 1998. - 529 с.
3. Третьякова, Н.Г. Совершенствование технологии производства пищевых продуктов с использованием роторного распылительного испарителя: дис. … канд. техн. наук: 05.18.04, 05.18.12: защищена 19.04.2002 / Третьякова Надежда Геннадьевна. - Кемерово, 2002. - 172 с.
4. Гриценко, В.В. Совершенствование производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов с использованием роторного распылительного испарителя: дис. … канд. техн. наук: 05.18.12: защищена 19.12.2009 / Гриценко Вячеслав Владимирович. - Кемерово, 2009. - 150 с.
5. Сорокопуд, А.Ф. Концентрирование плодово-ягодных экстрактов в роторном распылительном испарителе / А.Ф. Сорокопуд, Н.Г. Третьякова, П.П. Иванов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. - № 7. - С. 38-40.
6. Сорокопуд, А.Ф. Определение оптимальных условий обогрева роторного распылительного испарителя / А.Ф. Сорокопуд, Н.А. Шеменева // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ. - Вып. 3. - Кемерово, 2010. - С. 3-7.
7. Сорокопуд, А.Ф. Концентрирование сыворотки в роторном распылительном испарителе / А.Ф. Сорокопуд, Т.Г. Шевцова, Р.Г. Тихонов // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. тр. - Вып. 2. - Кемерово, 2008. - С. 18-22.