Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Теплообмін при випарюванні в ротаційному термомеханічному агрегаті

Теплообмін при випарюванні в ротаційному термомеханічному агрегаті

Розробка й оптимізація випарного апарата на основі ротаційного термосифону. Проведення комп'ютерного моделювання процесу випарювання. Дослідження гідродинаміки руху теплоносія. Підвищення коефіцієнта теплопередачі при обробці яблучного і томатного пюре.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 30.07.2015
Размер файла 230,2 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 664.048.5.022.63

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЕПЛООБМІН ПРИ ВИПАРЮВАННІ В РОТАЦІЙНОМУ ТЕРМОМЕХАНІЧНОМУ АГРЕГАТІ

Спеціальність 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

ОМАР САЇД АХМЕД МОХАМЕД АХМЕД

Одеса - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній академії харчових технологій

Міністерства освіти і науки України, молоді та спорту України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Бурдо Олег Григорович, Одеська національна академія харчових технологій, кафедра процесів, апаратів і енергетичного менеджменту, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Гладушняк Олександр Карпович, Одеська національна академія харчових технологій, кафедра обладнання харчових виробництв,завідувач кафедри;

- кандидат технічних наук, доцент Косой Борис Володимирович, Одеська державна академія холоду, кафедра програмування, завідувач кафедри

Захист відбудеться 19 травня 2011 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.01 Одеської національної академії харчових технологій, за адресою: вул. Канатна, 112, м. Одеса, 65039 в ауд. А - 234.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії харчових технологій, за адресою: вул. Канатна, 112, м. Одеса, 65039.

Автореферат розіслано 18 квітня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор К.Г. Іоргачова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. При випарюванні утворюються в основному рідини неньютонівської групи (томатна паста, різні пюре). Більшість способів термообробки неньютонівських рідин (ННР) недостатньо ефективні, або призводять до великих енерговитрат. Продукт пригоряє до теплообмінної поверхні, змінюється його якість.

Аналіз енерготехнологічних моделей показує, що значні втрати енергії спостерігаються при транспортуванні енергоносія до апарату. Пропонується для вирішення проблем при випарюванні ННР у промисловості використовувати апарати на базі двофазних автономних модулів. Застосування ротаційних термосифонів (РТС) дає можливість створювати циркуляцію теплоносія, за рахунок чого досягається зниження енерговитрат на процес. Крім того, застосування автономних апаратів із РТС дає можливість скоротити ланцюг перетворення-транспортування енергії, що призводить до зниження енерговитрат.

Для інтенсифікації процесу термообробки необхідно зруйнувати внутрішню структуру рідини й змусити її поводитися максимально близько до ньютонівської рідини. Цього можна досягти шляхом підвищення напруги, а також швидкості зсуву, тобто механічною обробкою. Такий процес зручно реалізувати в апаратах із РТС.

Аналоги конструкцій апаратів із РТС - термомеханічні агрегати (ТМА). У конструкціях ТМА слабким елементом є вузол ущільнення підведення пари й відводу конденсату. Герметизація вузла з'єднання ротора, з нерухомим паропроводом і конденсатопроводом - технічно складне завдання. Пошук нових методів інтенсифікації тепло- масообміну, створення енергоефективних апаратів є актуальними проблемами для харчової промисловості України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за тематикою держбюджетних досліджень проблемної науково-дослідної лабораторії Одеської національної академії харчових технологій № 5/09 П «Новітні енергетично ефективні харчові технології та нанотехнології в АПК», (№ держреєстрації 0109U000400).

Мета й завдання досліджень. Метою роботи є інтенсифікація теплообміну при випарюванні неньютонівських рідин із застосуванням ротаційних термосифонів, розробка інженерних методів розрахунку та оптимізація апаратів з РТС.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- провести дослідження гідродинаміки руху теплоносія в каналах РТС, визначити граничні значення куту нахилу конденсатора РТС;

- визначити вплив конструктивних параметрів; частоти обертання; режимних характеристик термосифона (температура, тиск) на інтенсивність теплопереносу при випарюванні;

- визначити вплив режимних параметрів роботи апарату з РТС на кінетику росту концентрації сухих речовин в продукті при випарюванні;

- методом аналізу розмірностей встановити структуру моделі в узагальнених змінних для визначення інтенсивності теплообміну при випарюванні харчових рідин в апаратах з РТС;

- узагальнити результати експериментів, створити методики інженерного розрахунку й оптимізації апаратів із РТС, провести комп'ютерне моделювання і оптимізацію апаратів із РТС;

- визначити витрати енергії в апаратах з РТС та порівняти їх з традиційними випарними установками;

- випробувати дослідний зразок випарного апарата із РТС.

Об'єкт досліджень - процес випарювання харчових неньютонівських рідин.

Предмет досліджень - випарні апарати на основі ротаційних термосифонів.

Методи досліджень - комплекс традиційних і сучасних фізичних і математичних методів досліджень, методи теорії подібності та комп'ютерного експерименту при оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі вперше сформульовано й доведено наукове положення:

вплив на продукт за допомогою двофазного випарниково-конденсаційного модуля, що працює в режимі ротаційного термосифона, сприяє ефективному руйнуванню гідродинамічного і теплового приграничних шарів, що призведе до збільшення інтенсивності процесів переносу.

У результаті аналітичних і експериментальних досліджень вперше:

- обґрунтовано й експериментально підтверджено ефективність застосування апаратів із РТС при випарюванні харчових ННР;

- визначено вплив конструктивних та режимних параметрів на гідродинаміку руху теплоносія всередині конденсатора РТС та інтенсивність теплопереносу при випарюванні;

- досліджено вплив режимних параметрів роботи апарату з РТС на кінетику росту концентрації сухих речовин в продукті при випарюванні харчових ННР;

- отримано моделі в числах подібності, для розрахунку процесу теплопереносу при випарюванні харчових ННР;

- розроблено інженерну методику, комп'ютерну програму для розрахунку випарного апарата на базі РТС; проведено комп'ютерне моделювання й оптимізація процесу випарювання харчових ННР в апараті із РТС;

- виконано аналіз енергетичної ефективності застосування випарного апарата із РТС для виробництва томатної пасти.

Практичне значення отриманих результатів. Теоретичними, експериментальними дослідженнями установлено й виробничими випробуваннями практично підтверджено: ефективність використання конструкції випарного апарата із РТС при випарюванні ННР та коректність розробленої інженерної методики й комп'ютерної програми для розрахунку випарного апарата на базі РТС.

По суті запропоновано новий клас термомеханічних апаратів, в яких використання РТС вирішує задачу суттєвого спрощення конструкції, підвищення її надійності. Запропоновані конструкції апаратів з РТС спроможні забезпечити ефективний теплоперенос при обробці в'язких та дисперсних харчових продуктів при одночасному зменшенні енергетичних втрат до 30 %.

Комп'ютерна програма може бути використана для проектування випарних апаратів нового типу. Розроблено проект нормативної документації на випарний апарат із РТС. Промислова апробація випарного апарата із РТС проведена на відкритому акціонерному товаристві «Концерн Хлібпром» в лініях з термообробки в'язких та дисперсних середовищ.

Особистий внесок здобувача полягає у плануванні та проведенні експериментів, виборі об'єктів та методів експериментальних досліджень, обробці та узагальненні отриманих науково обґрунтованих результатів у вигляді формування висновків та пропозицій, підготовці матеріалів досліджень до публікування, виконаних у співавторстві та самостійно, розробці технологій і нормативної документації, промислової апробації розроблених технологій. Особистий внесок здобувача підтверджується представленими документами та публікаціями.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на наукових конференціях професорсько-викладацького складу ОНАХТ в 2008 - 2010 р., міжнародних науково-практичних конференціях: "Інтегровані технології та енергозбереження " (м. Харків, 2008); "Проблеми енергетичної ефективності харчових та хімічних виробництв (м. Одеса, 2009); "Проблеми регіональної енергетики", (Молдова, 2009); "Удосконалення процесів та обладнання харчових та хімічних виробництв" (м. Одеса, 2010).

Публікації. Матеріали дисертації, отримані результати й рекомендації з їх використання повністю відображені в 9 -ти наукових роботах, опублікованих автором, з них 5 публікацій у фахових виданнях, 4 статті у наукових виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел, що включає 122 найменувань ( 10 сторінок) і 1 додатку ( 2 сторінки). Робота викладена на 128 сторінках, які включають 61 рисунок ( 21 сторінку), 13 таблиць ( 6 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена загальна характеристика роботи - актуальність теми, зв'язок з науковими програмами, сформульовані мета й завдання досліджень, наукова новизна, практичне значення й особистий внесок автора, представлена апробація дисертаційної роботи, публікації автора.

У першому розділі “Сучасний стан питання випарювання харчових рідин” проаналізовано стан техніки для випарювання харчових рідин, виявлені переваги й недоліки традиційних випарних апаратів. Наведено класифікацію харчових рідин і термомеханічних агрегатів.

Розглянуто шляхи інтенсифікації процесів теплопереносу у випарних апаратах. На основі аналізу застосування змішувачів, визначена форма пристрою, що перемішує (шнек), як найбільш придатна для перемішування рідин високої в'язкості (до 100 Па·с), неньютонівських рідин і паст.

Наведена класифікація, області застосування шнекових машин, конструктивний розвиток шнекових змішувачів, шнекові випарники. У якості нових технічних рішень пропонується для випарювання харчових ННР застосовувати апарати на базі теплових труб і ротаційних термосифонів.

Термомеханічний агрегат із РТС складається з корпуса 1, конденсатора 2, парогенератора 3, двигуна 4. РТС являють собою герметично закриту порожнину, частково заповнену теплоносієм.

При підведенні теплоти до випарника теплоносій починає кипіти, пара, що утворюється, направляється в конденсатор, де конденсується на стінках, віддаючи теплоту фазового переходу продукту. Пара переміщується за рахунок різниці тиску у випарнику й конденсаторі, в результаті зменшення об'єму при конденсації пари. Конденсат під дією гравітаційних сил рухається у випарник.

Таким чином, у РТС реалізується замкнутий випарниково-конденсаційний цикл. Продукт надходить у корпус зверху, зіштовхується з нагрітою поверхнею конденсатора. Відбувається нагрівання, випарювання, перемішування продукту, після чого продукт вивантажується через нижній патрубок у корпусі. Для підвищення ефективності конструкції пропонується використати шнековий випарник.

У другому розділі “Об'єкти й методи досліджень” викладена інформація про об'єкти й методи досліджень. Розглянуто властивості, моделювання процесу перемішування, теплообміну, випарювання неньютонівських рідин в апаратах з РТС. Розглянуто внутрішню задачу в апараті зі шнековим конденсатором ротаційного термосифону.

Наведено методику визначення сухих речовин, визначення коефіцієнта тепловіддачі при випарюванні харчових ННР в апараті із РТС, методику узагальнення результатів експериментів, проведено оцінку похибок експерименту.

Для моделювання внутрішньої задачі в шнековому РТС проведено ряд експериментів. Використано порожній скляний шнек та ємність із підфарбованою рідиною. Ємність шарнірно закріплена. Шнек приводився в рух двигуном. В експериментах змінювали кут нахилу шнека () і вимірювали витрати рідини, яку піднімав шнек.

Моделювання теплообміну при випарюванні розділено на дві задачі: 1) моделювання в системі РТС-продукт без перемішування; 2) моделювання в системі РТС- продукт, що рухається.

Тепловіддачу при лінійному русі продукту без його перемішування враховували за допомогою залежностей 1-5. Число Нусельта (Nul) при лінійному числі Рейнольдса 1 Rel 107 визначали за формулами

(1)

(2)

(3)

За умови Rel 1 лінійне число Нусельта розраховувалося за формулою

(4)

Сумарне число Нусельта (Nu), дорівнює сумі чисел Нусельта при лінійному русі продукту й при перемішуванні (Nun):

(5)

При моделюванні в системі ротаційний термосифон - продукт, що рухається для одержання структур критеріальних рівнянь використано метод аналізу розмірностей.

Коефіцієнт тепловіддачі від РТС до продукту залежить від наступних параметрів: швидкості потоку (), в'язкості (), теплових властивостей продукту (питомої теплоємності (Ср), теплопровідності()); геометричних параметрів конденсаторадіаметра (d), а також відношення кута нахилу конденсатора до базового о; частоти обертання конденсатора (n).

Одержано:

= f ( , d, , , , Ср , n, о)(6)

При =var, n=0 с-1, відповідно до -теореми, зв'язок між цими параметрами встановлено у вигляді 3 безрозмірних комплексів. Умови безрозмірності даного виразу виводили безпосередньо з розмірної матриці.

Групуючи окремі величини, одержано критеріальне рівняння виду:

(7)

При , n, =var, відповідно до -теореми зв'язок між параметрами встановлено у вигляді 5 безрозмірних комплексів:

(8)

У рівняннях (7,8) А - константа, k4, k6, k7, k8 - показники степені, Nun=(d)число Нусельта для конденсатора, що обертається, Rel=(d)число Рейнольдса, Prчисло Прандтля, Reмчисло Рейнольдса модифіковане.

Експерименти проведені на томатній масі, яблучному пюре в широкому діапазоні параметрів (табл. 1).

Таблиця 1

Умови експериментальних досліджень

Продукт

Кут нахилу РТС,

Частота обертання РТС, n

Тиск у конденсаторі РТС, Р

Потужність нагрівача, N

градус

хв-1

МПа

кВт

Яблучне пюре

30...45

2...28

0,05…0,15

0,8...1,5

Томатна маса

Для дослідження процесу випарювання розробили експериментальну установку. Температуру розчину вимірювали за допомогою мідь-константанових термопар. Виміри температури робили в окремих точках об'єму, після чого значення температури усереднювались. Дані первинних перетворювачів температури надходили на АЦП, перетворювалися в цифровий сигнал і вводилися в комп'ютер. Температуру теплоносія визначали за величиною тиску пари в конденсаторі РТС. Інтервал реєстрації даних - 600 с. Температура поверхні РТС при кипінні розчину підтримувалася постійною.

У третьому розділі ” Експериментальне моделювання процесу випарювання” наведені результати досліджень, які проведені на експериментальних стендах кафедри процесів апаратів і енергетичного менеджменту ОНАПТ.

При проведенні експериментальних досліджень отримані закономірності з кінетики теплообміну, випарювання залежно від типу продукту, а також від конструктивних параметрів РТС. Досліджено вплив кута нахилу РТС, частоти обертання РТС, витрат й властивостей продукту на інтенсивність тепловіддачі. Перевірено дієздатність запропонованого схемного рішення стосовно до неньютонівських харчових рідин. Проведено комплексні експериментальні дослідження з випарювання яблучного пюре в апараті із РТС. Для зручності аналізу термограми й зміни сухих речовин (СР) від тривалості процесу побудовані в одній координатній сітці. Концентрація при випарюванні яблучного пюре при частоті обертання РТС n= 14 об/хв, і куті нахилу =30о збільшується, наближаючись до теоретичної границі (рис. 1а).

Рис. 1. Зміна вмісту СР і термограми при випарюванні яблучного пюре, n = 14 об/хв: а) =30о, б) =45о; 1 - температура поверхні РТС; 2 - температура продукту; 3 - концентрація сухих речовин

При зміні кута нахилу РТС з =30о до =45о період нагрівання розчину до температури кипіння при інших рівних параметрах зменшується у 2 рази (рис. 1б). При збільшенні кута нахилу РТС поліпшуються внутрішні гідродинамічні умови для повернення конденсату у випарник РТС. Відповідно зменшується термічний опір стінки конденсатора. Коефіцієнт теплопередачі зростає.

Зміна частоти обертання в 14 разів прискорює процес нагрівання в 2 рази. Інтенсивне руйнування приграничного теплового шару безпосередньо поверхнею теплопередачі призводить до зменшення зовнішнього термічного опору. Зростає коефіцієнт теплопередачі залежно від частоти обертання РТС. Теплота в розчин передається більш ефективно. Інтенсифікація процесу теплообміну впливає не на температуру кипіння розчину, а на швидкість випарювання вологи з розчину.

У порівнянні з кутом нахилу РТС =30о при =45о інтенсивність випарювання зростає. Збільшення кута нахилу з 30о до 45о призводить до підвищення сухих речовин у продукті на 36 %. Швидкість випарювання вологи з розчину зростає при збільшенні частоти обертання, кута нахилу РТС.

Проведено дослідження з випарювання томатної маси в апараті із РТС. Максимальна концентрація сягала 18,5 % СР. Концентрація змінюється за експонентною залежністю.

Період нагрівання томатної маси до температури кипіння близько 30 хв, після чого відбувається випарювання вологи з поверхні. Томатна маса випаровується при атмосферному тиску. Спостерігається випарювання вологи в період нагрівання розчину до температури кипіння. Швидкість видалення вологи в період нагрівання нижче, ніж під час інтенсивного кипіння розчину. При зміні кута нахилу РТС з =30о до =45о період нагрівання томатної маси до температури кипіння при інших рівних параметрах зменшується до 30 хв.

При обробці томатної маси підвищення частоти обертання конденсатора в 7 разів призводить до підвищення вмісту сухих речовин у продукті в 1,7 разів.

Визначено коефіцієнти тепловіддачі до продукту () при випарюванні томатної маси, яблучного пюре. Побудовано залежності від частоти обертання, в'язкості розчину.

Для досліджуваних рідин спостерігається ріст зі збільшенням частоти обертання РТС, що пов'язано з руйнуванням теплового прикордонного шару безпосередньо поверхнею теплопередачі; зі збільшенням кута нахилу РТС, що зв'язано з поліпшенням гідродинамічних умов усередині конденсатора РТС. Збільшення концентрації розчину призводить до збільшення його в'язкості й зменшенню .

Експериментальні дані, отримані при випарюванні томатної маси та яблучного пюре, є вихідними для математичного моделювання. Узагальнення результатів досліджень представлені в логарифмічних координатах.

Визначено коефіцієнти рівняння в числах подібності для розрахунку числа Нусельта для конденсатора, що обертається:

Nun= 0,2 (1+Reм)0,8 (1+Rel)0,33 Pr0,43o)0,6(9).

З використанням формул (5, 9) отримані розрахункові числа Нусельта (Nuр). Розбіжність між розрахунковими й експериментальними числами Нусельта (Nuе) в межах 15 %. Рівняння (5,9) є базовими при розрахунку апарата й комп'ютерному моделюванні.

У четвертому розділі “Інженерні методи розрахунку випарного апарата з ротаційним термосифоном” наведені результати комп'ютерного моделювання, модель термотрансформації енергії в консервному виробництві, розрахунок термомеханічного агрегату для лінії виробництва томатної пасти, пропозиції до впровадження, результати оптимізації. Алгоритм розрахунку випарного апарата на базі РТС представлений як сукупність окремих блоків.

Після введення вхідних параметрів (блок 1) відбувається розрахунок теплофізичних властивостей продукту (БС-ТФВ), тепловий розрахунок апарата (БС-ТР). У блоці 5 відбувається розрахунок критичного числа Фруда (Fr). Якщо необхідна умова виконується (Fr Frk), працює блок 6, у протилежному випадку вважаємо, що досягнуто кризу теплопередачі у РТС, програма завершує свою роботу.

Основним є блок 4, у якому відбувається тепловий розрахунок апарата. Метою розрахунку є визначення необхідної теплопередаючої поверхні конденсатора РТС, кількості модулів конденсатора.

Вихідними даними для розрахунку є: D - діаметр конденсатора, м, задається конструктивно; d - діаметр трубки конденсатора, м, задається конструктивно; - кут нахилу конденсатора РТС; 0, - базовий кут нахилу конденсатора РТС; tпр - температура продукту, оС; tт - температура теплоносія, оС ; n - частота обертання конденсатора, об/хв; , , , Pr, Ср - теплофізичні властивості продукту (БС-ТФВ); G - маса продукту (для апарата періодичної дії, кг, витрати продукту для апарата безперервної дії, кг/с; - тривалість нагрівання продукту (для апарата періодичної дії) с; ан, ак - початкова та кінцева концентрація продукту, %.

В основу програми покладене рівняння в числах подібності, отримане при узагальненні експериментальних даних (9).

У блоці 2 програми відбувається розрахунок Rel і Reм - лінійного й модифікованого чисел Рейнольдса відповідно; числа Нусельта для конденсатора, що обертається - Nun. Визначальним розміром для Rel, Nun є половина довжини обтікання трубки конденсатора d. Для Reм - визначальним розміром є діаметр конденсатора D.

У блоці 3 відбувається розрахунок коефіцієнта тепловіддачі при перемішуванні n. У блоці 4 відбувається перевірка. Якщо лінійний рух продукту відсутній (G=0, Rel=0 - апарат періодичної дії), виконуються блоки 5, 6, 17.

Визначається кількість видаленої із продукту вологи (W), теплоти (Q) на випарювання вологи з продукту за певний проміжок часу , після чого програма повертається в основну гілку. Якщо апарат безперервної дії (Rel>0), розраховується лінійне число Нусельта: за умови 1 Rel 107 в блоці 16, за умови Re 1 блоці 8.

У блоці 9 визначається коефіцієнт тепловіддачі при лінійному русі продукту l. У блоці 10 визначається сумарний розрахунковий коефіцієнт тепловіддачі . У блоці 12 визначаємо коефіцієнт тепловіддачі при конденсації пари теплоносія 1, у блоці 13 розраховуємо коефіцієнт теплопередачі К. Вихідний результат розрахунку одержуємо в блоках 14, 15. Кількість модулів одержуємо розподілом загальної поверхні конденсатора Fк на поверхню одного модуля F.

Загальний алгоритм розрахунку випарного апарата із РТС реалізований в інструментальній оболонці Math Cad. Програма дає високу ступінь точності при розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі. Порівнюємо експериментальні й розрахункові дані. Розбіжність у межах 12 %.

Таким чином, одержуємо можливість провести комп'ютерне моделювання процесу тепловіддачі в апараті із РТС для різних типів харчових ННР. Виходячи з результатів комп'ютерного моделювання, реалізовано розрахунок апарату для лінії з виробництва томатної пасти, проведено оцінку енергетичної ефективності застосування схеми із РТС у лінії з виробництва томатної пасти. Модель термотрансформації енергії ілюструє енергетичну ефективність застосування базової схеми з виробництва томатної пасти й схеми із РТС. Показано, як енергія палива трансформується в продукт, модель враховує можливі втрати енергії.

Проведено розрахунок апарату для лінії з виробництва томатної пасти, при початковій концентрації сухих речовин 7 % і кінцевій 25 %. Як видно з табл. 2, застосовуючи апарат із РТС з тією ж поверхнею нагрівання, можливо досягти інтенсифікації процесу термомеханічної обробки томатної маси в 1,4 рази або скоротити тривалість обробки з 4090 с до 2900 с. У такий спосіб застосування схеми із РТС дає можливість знизити витрати енергії, витрати палива, тривалість циклу, питомі енерговитрати (табл. 2).

Таблиця 2

Порівняння технічних характеристик

Схема

Завантаження апарата G

Витрати енергії Ет

Витрати палива

Тривалість циклу

Питомі енерговитрати Еу

кг

МДж

кг

%

с

МДж/кг

Базова

500

1910

46,5

100

4090

3,9

РТС

500

1200

30,2

63

2900

2,6

Впровадження апарату з РТС проведено на відкритому акціонерному товаристві «Концерн Хлібпром» на лініях з термообробки в'язких та дисперсних середовищ. Проведено оптимізацію випарного апарата із РТС.

Цільова функція (Z) являє собою суму енерговитрат на двигун РТС (Nдв) й енерговитрати на випарювання (Qн).

Мінімум цільової функції дає частоту обертання РТС, при якій енергетичні витрати на процес мінімальні. Вихідними даними для розрахунку за алгоритмом є: геометричні розміри РТС, температури продукту, теплоносія, кут нахилу РТС, кількість і концентрація вихідного продукту. Мінімум цільової функції припадає на частоту n=0,68 с-1.

ВИСНОВКИ

1. Сформульовано наукове положення щодо інтенсифікації теплообміну при випарюванні неньютонівських рідин в апаратах з ротаційними термосифонами. Положення доведено комплексним аналітичним та експериментальним моделюванням, результатами оптимізації та промислової апробації апарата.

2. Встановлено, що кут нахилу конденсатора ротаційного термосифону істотно впливає на гідродинаміку внутрішньої задачі. При куті нахилу шнекового конденсатора більше 45о числа Фруда приймають критичні значення.

3. Доведено, що на інтенсивність теплопереносу суттєво впливає частота обертання конденсатора, кут його нахилу та фізичні властивості продукту. З підвищенням в'язкості продукту ефективність апаратів із РТС (у порівнянні із традиційними) зростає. Встановлено, що апарат із РТС забезпечує коефіцієнти теплопередачі, при обробці харчових рідин з в'язкістю від 0,8 до 1,5 Пас, у діапазоні 500…2600 Вт/м2К, що в 4 рази вище, ніж у сучасних пластинчастих апаратах.

4. Визначено, що при обробці яблучного пюре, збільшення частоти обертання конденсатора в 7 разів призводить до підвищення вмісту сухих речовин до 33 %, а коефіцієнта тепловіддачі в 4,4 рази; при обробці томатної маси підвищення частоти обертання конденсатора в 7 разів призводить до підвищення вмісту сухих речовин у продукті в 1,7 разів. Збільшення кута нахилу з 30о до 45о призводить до підвищення вмісту сухих речовин у продукті до 36%, а коефіцієнта тепловіддачі в 1,3 рази.

5. Показано, що при дослідженні зовнішньої задачі теплопереносу методом аналізу розмірностей, інтенсивність тепловіддачі визначається числами Рейнольдса (лінійного й модифікованого), Прандтля й параметричним комплексом - безрозмірним кутом нахилу конденсатора.

6. Розроблена математична модель, що узагальнює базу експериментальних даних з похибкою 12 %. Оптимізація режимних параметрів апарату з РТС при випарюванні томатної маси обґрунтувала частоту обертання РТС (n=0,68 с-1), при якій цільова функція (загальні енергетичні витрати) має мінімум.

7. Показано принципову можливість створення на базі РТС багатофункціональних енергоефективних випарних агрегатів з високим значенням коефіцієнта теплопередачі, надійних в експлуатації, які забезпечують як легкий вихід парової фази, так і відсутність пригару продукту. Впровадження апарата із РТС у лінії виробництва томатної пасти дозволяє знизити енергоємність технології з 3,9 МДж/кг до 2,6 МДж/кг.

8. Впровадження апарату з РТС проведено на відкритому акціонерному товаристві «Концерн Хлібпром» на лініях з термообробки в'язких та дисперсних середовищ.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бурдо, О.Г. Выпаривание пищевых жидкостей в термомеханическом агрегате на базе вращающегося термосифона [Текст] / О.Г. Бурдо, И.В. Безбах, Омар Саид Ахмед // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2010. - Вип.37. - С.85-88.

Особистий внесок здобувача: проведено порівняння характеристик апарату з РТС з існуючими випарними апаратами.

2. Безбах, И.В. Кинетика процесса выпаривания пищевых жидкостей в термомеханическом агрегате на базе вращающегося термосифона. [Текст] / И.В. Безбах, Омар Саид Ахмед, Терзиев С.Г. // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2009. - Вип.35, - Т.2. - С.191-193.

Особистий внесок здобувача: досліджено кінетику випарювання харчових ННР в апараті з РТС та проведено математичну обробку даних.

3. Бурдо, О.Г. Дослідження тепло- масообміну під час обробки дисперсних і в'язких харчових продуктів у апаратах на базі термосифонів. [Текст] / О.Г. Бурдо, И.В. Безбах, Є.В.Латанський, Омар Саїд Ахмед // Збірник наукових праць «Обладнання та технології харчових виробництв», Донецьк, 2009. / Д., 2009. - Вип.22. - С.28-34.

Особистий внесок здобувача: приведено результати комп'ютерного моделювання.

4. Безбах, И.В. Развитие конструкцій тепло- и массообменных аппаратов на базе автономних двухфазних модулей [Текст] / И.В. Безбах, А.В. Зыков, В.И. Донкоглов, Омар Саид Ахмед // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2008. - Вип.32. - С.208-217.

Особистий внесок здобувача: проаналізовано стан сучасної техніки, розроблено експериментальний стенд по дослідженню процесу випарювання.

5. Бурдо, О.Г. Повышение энергетической эффективности процессов обезвоживания пищевого сырья [Текст] / Безбах И.В., Зыков А.В., Омар Саид Ахмед // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2008. - №2. - Харків. - С.23-28.

Особистий внесок здобувача: досліджено вплив режимних параметрів на коефіцієнт тепловіддачі в апараті з РТС.

6. Бурдо, О.Г. Исследования термосифонно-механического выпарного апарата [Електронний ресурс] / О.Г. Бурдо, И.В. Безбах, Омар Саид Ахмед // Матеріали VIII Міжнародної наук.-практ. конф. «Удосконалення процесів та обладнання харчових та хімічних виробництв», Одеса, 6-10 вересня 2010р. / ОНАХТ. О., 2010. - С. 301-305.

Особистий внесок здобувача: проведено розрахунок ефективності застосування апарату з РТС в технологічній лінії

7. Безбах, И.В. Исследование работ термосифонов при обработке дисперсных и вязких пищевых средств [Текст] / И.В. Безбах, Омар Саид Ахмед, В.И. Донкоглов // Probleme energeticii regionale. Revista stiintifica, informational - analitica si ingenerasca / Academia de Stiinte a Moldovei instutul de energecica. - Chisinau, 2009. - № 1. C.73-80: табл. Рис. - Библиогр.: 11 назв.

Особистий внесок здобувача: розраховано енерговитрати в апараті з РТС при обробці харчових ННР.

8. Безбах, И.В. Моделирование процесса выпаривания пищевых жидкостей в термомеханическом агрегате на базе вращающегося термосифона. [Електронний ресурс] / И.В. Безбах, Омар Саид Ахмед, Терзиев С.Г. // Матеріали Міжнародної наук.-практ. конф. «Проблеми енергетичної ефективності харчових та хімічних виробництв» - Одеса, 9- 11 вересня 2009р. / ОНАХТ. - О., 2009. - С.274-276.

Особистий внесок здобувача: отримано критеріальне рівняння для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при випарюванні харчових ННР.

9. Безбах, И.В. Тепло- массообменная аппаратура на базе двухфазных модулей [Електронний ресурс] / И.В. Безбах, А.В. Зыков, В.И. Донкоглов, Омар Саид Ахмед // Матеріали VII Міжнародної наук.-практ. конф. «Удосконалення процесів та обладнання харчових та хімічних виробництв», Одеса, 8-12 вересня 2008р. / ОНАХТ. О., 2008. - С.301-305.

Особистий внесок здобувача: розроблена та обґрунтована методика експериментальних досліджень процесу випарювання в апараті на базі РТС.

термосифон випарювання гідродинаміка

АНОТАЦІЯ

Омар Саїдахмед Мохамед Ахмед. Теплообмін при випарюванні в ротаційному термомеханічному агрегаті. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. Одеська національна академія харчових технологій Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, Одеса, 2011.

Дисертаційна робота присвячена розробці випарного апарата на основі ротаційного термосифону, методів його розрахунку й оптимізації. Аналітичні й експериментальні дослідження підтвердили існування принципової можливості створення на базі ротаційного термосифону багатофункціональних енергоефективних випарних апаратів з високим значенням коефіцієнта теплопередачі, надійних в експлуатації.

При обробці яблучного пюре підвищення в 7 разів частоти обертання конденсатора призводить до зростання вмісту сухих речовин у продукті до 33 %, а коефіцієнта тепловіддачі в 4,4 рази. Збільшення кута нахилу з 30 до 45о призводить до підвищення вмісту сухих речовин у продукті до 36 %, а коефіцієнта тепловіддачі в 1,3 рази. При обробці томатної маси підвищення в 7 разів частоти обертання конденсатора призводить до збільшення вмісту сухих речовин у продукті в 1,7 разів. Розроблена математична модель узагальнює базу експериментальних даних з похибкою 12 %. Розроблено інженерну методику й комп'ютерну програму для розрахунку випарного апарату на базі ротаційного термосифону. Проведено комп'ютерне моделювання процесу випарювання в апараті. Розроблено проект нормативної документації на випарний апарат із ротаційним термосифоном. Проведено оптимізацію випарного апарату із ротаційним термосифоном.

Ключові слова: випарювання, ротаційний термосифон, тепловіддача.

АННОТАЦИЯ

Омар Саид Ахмед Мохамед Ахмед. Теплообмен при выпаривании в ротационном термомеханическом агрегате. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств.

Одесская национальная академия пищевых технологий Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины, Одесса, 2011.

Диссертационная работа посвящена созданию выпарных аппаратов на основе ротационных термосифонов (РТС), методов их расчета и оптимизации. На основе литературных данных проведен анализ свойств пищевых жидкостей, рассмотрены пути интенсификации процессов теплопереноса в выпарных аппаратах.

Выявлены достоинства и недостатки конструкций традиционных выпарных аппаратов. Рассмотрены области применения шнековых машин, конструктивное развитие шнековых смесителей, классификация шнековых машин. Приведены принципиально новые схемы для решения проблем при выпаривании пищевых жидкостей. Рассмотрены принципы повышения энергетической эффективности в процессах выпаривания пищевых жидкостей.

Предложена схема выпарного аппарата на базе шнекового ротационного термосифона. Термосифон в виде шнека позволит реализовать дополнительные функции в аппарате: перемешивание, выпаривание, транспортировка продукта. При выпаривании пищевых растворов образуются в основном жидкости неньютоновской группы. Рассмотрены известные модели процессов теплообмена при выпаривании пищевых жидкостей, реологические модели поведения неньютоновских пищевых жидкостей при выпаривании, перемешивании, нагревании.

Задачи исследований состоят в изучении гидродинамики движения теплоносителя в каналах РТС; определении предельных значений угла наклона конденсатора РТС; определении влияния конструктивных параметров, режимных характеристик термосифона на интенсивность теплопереноса при выпаривании; определении влияния режимных параметров работы аппарата с РТС на кинетику роста концентрации сухих веществ в продукте при выпаривании; получении структуры модели в обобщенных переменных для определения интенсивности теплообмена при выпаривании пищевых жидкостей в аппаратах с РТС; обобщении результатов экспериментов, создании методики инженерного расчета и оптимизации аппаратов с РТС, проведении компьютерного моделирования и оптимизации аппаратов с РТС; определении затрат энергии в аппаратах с РТС, сравнении их с традиционными выпарными установками. Исследования вращающихся труб ограничены конструкциями, в которых пар конденсируется на внутренней поверхности трубы (либо конуса), вращающейся вокруг оси.

Выполненные исследования позволяют утверждать, что в разветвленном конденсаторе РТС повышение частоты вращения приводит к росту консервативного действия центробежных сил. Установлено, что существенное влияние на гидродинамику внутренней задачи создает угол наклона конденсатора ротационного термосифона. При угле наклона шнекового конденсатора больше 45о, критической становится внутренняя задача.

Основное влияние на движение конденсата и возврат его в испаритель осуществляет взаимодействие центробежной силы и силы тяжести. В аппарате с РТС присутствует линейное движение продукта, совмещенное с его механическим перемешиванием. При линейном движении продукта наблюдается поперечное обтекание одиночных лопастей конденсатора. Суммарное число Нуссельта (Nu), таким образом, будет равно сумме чисел Нуссельта при линейном движении продукта (Nul) и при перемешивании (Nun).

Функциональная зависимость коэффициента теплоотдачи при перемешивании от режимных параметров получена при помощи метода анализа размерностей. Получены термограммы и кинетика изменения сухих веществ при выпаривании яблочного пюре и томатной массы. Эксперименты проведены в следующем диапазоне: наклон РТС, =30...45о, частота оборотов РТС, n=2...28 мин-1; давление в конденсаторе РТС Р=0,05...0,15 МПа; мощность нагревателя N=0,8..1,5 кВт. При обработке яблочного пюре повышение в 7 раз частоты оборотов конденсатора приводит к увеличению сухих веществ в продукте до 33 %, а коэффициента теплоотдачи в 4,4 раза. Увеличение угла наклона с 30 до 45о приводит к повышению сухих веществ в продукте до 36%, а коэффициента теплоотдачи в 1,3 раза. При обработке томатной массы повышение в 7 раз частоты оборотов конденсатора приводит к увеличению сухих веществ в продукте в 1,7 раз. Доказано, что определяющее влияние на интенсивность теплопереноса создает частота оборотов конденсатора, угол его наклона и физические свойства продукта. С повышением вязкости продукта эффективность аппаратов с РТС (по сравнению с традиционными) растет. Установлено, что аппарат с РТС обеспечивает коэффициенты теплопередачи, при обработке пищевых жидкостей с вязкостью от 0,8 до 1,5 Пас, в диапазоне 500…2600 Вт/м2К, что 4 раза выше, чем в современных пластинчатых аппаратах.

Проведено обобщение и анализ расчетно-экспериментальных данных. Разработана инженерная методика и компьютерная программа для расчета выпарного аппарата на базе РТС. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных.

Разработанная математическая модель обобщает базу экспериментальных данных с погрешностью 12 %. Рассмотрена модель термотрансформации энергии в консервном производстве при применении схемы с РТС. Произведен расчет термомеханического выпарного агрегата для линии производства томатной пасты. Приведены результаты компьютерного моделирования, оптимизации выпарного аппарата с РТС, предложения к внедрению. Оптимизация режимных параметров аппарата с РТС при выпаривании томатной массы обосновала частоту оборотов РТС (n=0,68 с-1), при которой целевая функция (общие энергетические затраты) имеет минимум. Внедрение аппарата с РТС проведено на открытом акционерном обществе «Концерн Хлібпром» на линиях по термообработке вязких и дисперсных сред.

Результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования показывают, что энергоемкость технологии снижается с 3,9 МДж/кг до 2,6 МДж/кг. Аналитические и экспериментальные исследования подтвердили, что существует принципиальная возможность создания на базе РТС многофункциональных энергоэффективных выпарных аппаратов с высоким значением коэффициента теплопередачи, надежных в эксплуатации, которые обеспечивают легкий выход паровой фазы и отсутствие пригара продукта.

Ключевые слова: выпаривание, ротационный термосифон, теплоотдача.

ANNOTATION

Omаr Said Ahmed Mohamed Ahmed. Heat exchange at evaporation in the rotation thermomechanical unit. - the Manuscript.

Dissertation on gaining of scientific degree of candidate of engineering sciences by specialty 05.18.12 - processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical productions. Odessa national academy of food to technology of Department of education and science , youth and sports of Ukraine, Odessa, 2011.

The dissertation work is devoted to creation of the evaporating device on the basis of a rotation thermosiphon, methods of its calculation and optimization. Analytical and experimental researches have confirmed that creation on the basis of a rotation thermosiphon of effective evaporating devices probably. In devices on the basis of a rotation thermosiphon high values of a heat transfer coefficient are provided; an easy exit of a steam phase; there is no product burning; devices are reliable. At processing of apple mashed potatoes increase in 7 times of frequency of turns of the condenser leads to growth of solids in a product to 33 %, and coefficient of heat transfer in 4,4 times. The increase in a corner of an inclination with 30о to 45о leads to increase of solids in a product to 36 %, and coefficient of heat transfer in 1,3 times. At processing of tomato weight increase in 7 times of frequency of turns of the condenser leads to increase in solids in a product in 1,7 times. The developed mathematical model generalises base of experimental data with a margin error 12 %. The engineering technique and the computer program for calculation of the evaporating device on the basis of a rotation thermosiphon is developed. Computer modeling of process of evaporation in the device is spent. The project of the standard documentation on the evaporating device with a rotation thermosiphon is developed. Optimisation of the evaporating device with a rotation thermosiphon is spent.

Keywords: evaporation, a rotation thermosiphon, heat transfer.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены