Усовершенствование методики расчета пластинчатых теплообменных аппаратов

Для снабжения населения молочными продуктами первичная обработка такого скоропортящегося продукта как молоко на самих животноводческих фермах столь же важна, как и само производство этого ценнейшего продукта питания.

Для работы на современных линиях обработки молока необходимо применять универсальные и высокопроизводительные непрерывно действующие пластинчатые аппараты для тепловой обработки молока. Эти аппараты широко применяют на предприятиях молочной промышленности и в других отраслях народного хозяйства в нашей стране и за рубежом.

Однако типоразмеры пластинчатых аппаратов, отвечающие условиям работы на животноводческих фермах, отличны от аппаратов, применяемых в молочной, пищевой и химической отраслях промышленности [1, 2].

Таким образом, актуальной является проблема усовершенствования методики расчета параметров пластинчатых теплообменных аппаратов применительно к особенностям сельскохозяйственного производства.

При оценке целесообразности того или иного способа уменьшения рабочих поверхностей теплообменников и их металлоемкости на основе уравнения теплового баланса

(1)

можно получить расчетный критерий, аналогичный критерию В.Г. Шухова [3]:

(2)

где: - площадь поверхности теплообменников, м²;

- общий коэффициент теплопередачи, Вт/(м²•⁰С);

- объемная производительность теплообменника, м³/ч;

- массовая производительность теплообменника, кг/с;

- теплоемкость, Дж/(кг•⁰С).

Из условия постоянства этого критерия следует, что снижением металлоемкости пластинчатого теплообменника можно достичь увеличения общего коэффициента теплопередачи , то есть интенсификацией теплообмена.

Поскольку в формуле общего коэффициента теплопередачи средним слагаемым по его относительной малости в практических расчетах пренебрегают, то из этой упрощенной формулы

(3)

следует, что общий коэффициент теплопередачи всегда меньше меньшего коэффициента теплоотдачи.

Таким образом, для увеличения общего коэффициента теплопередачи , то есть для интенсификации теплообмена в аппарате, необходимо добиваться, прежде всего, максимального значения меньшего из двух коэффициентов теплоотдачи. В секции пастеризации комбинированного пластинчатого агрегата меньшим коэффициентом теплоотдачи является коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки к молоку .

Поскольку, в соответствии с теорией пограничного слоя, основным термическим сопротивлением является пристенный слой нагреваемой жидкости, то при увеличении коэффициента теплоотдачи необходимо добиться минимальной толщины этого слоя и его разрушения эффективной турбулизацией потока.

В результате рассмотрения различных способов искусственной турбулизации потоков жидкости применительно к межпластинным каналам теплообменников в качестве исходной принята преобразованная к данным условиям формула равновесия сил трения на участке канала длиной :

(4)

где: - зазор между пластинами, м;

- ширина канала, м;

- потери давления, кПа;

- длина канала, м;

- касательное напряжение, кПа.

Для межпластинных каналов, где в 30…50 раз меньше ширины канала , выражение (4) практически допустимо в следующем виде:

(5)

Отсюда определим касательное напряжение:

(6)

Подставив в формулу Дарси-Вейсбаха значение (6), получим коэффициент сопротивления:

(7)

где: - плотность жидкости, кг/м³;

- скорость потока, м/с;

- эквивалентный диаметр канала, м, равный .

Из выражения (7) имеем:

(8)

Отсюда:

(9)

Однако вышеизложенное справедливо лишь в случае, когда можно рассматривать поток как одно целое. При разделении потока на две области (ядро потока и пристенный слой) для пристенного слоя имеем:

(10)

У самой стенки . Тогда:

(11)

Касательное напряжение имеет существенное значение для процесса теплоотдачи. Как показал R. Koch [4], имеет место следующая зависимость:

(12)

С другой стороны, толщина ламинарного слоя равна:

(13)

Из этих зависимостей следует, что коэффициент теплоотдачи с уменьшением толщины ламинарного слоя быстро возрастает. Увеличение турбулизации потока жидкости на границе ламинарного слоя способствует разрушению этого слоя, а, следовательно, и интенсификации теплообмена.

В реальных аппаратах низкая проводимость тепла в пристенном слое компенсируется увеличением перепада температуры по нормали к стенке. По данным C. Slejcher [5], для трубчатого профиля на границе слоя толщиной 0,05% перепад температур примерно в 10 раз больше, чем на расстоянии 0,5% от стенки.

Из вышеизложенного следует, что турбулизировать поток жидкости в межпластинном канале необходимо так, чтобы пульсация, а, следовательно, и турбулентная проводимость, увеличилась бы именно в пристенном слое, поскольку в остальном потоке она и так достаточно высока.

При этом же температурном напоре турбулизация или снижение толщины пристенного слоя позволила бы резко увеличить удельный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи.

Вместе с тем для аппаратов тепловой обработки молока и других пищевых жидкостей это позволило бы снизить перепад температур между продуктом и стенкой. Последнее обстоятельство играет важную роль в снижении образования пригара.

Таким образом, повышения теплогидравлических характеристик теплообменных аппаратов можно достичь лишь подводом дополнительной кинетической энергии к потоку в непосредственной близости к пристенному слою (для труб - (0,05…0,1)).

При этом основная задача сводится к турбулизации именно пристенного слоя, так как в этом случае интенсификация теплоотдачи достигается с меньшими затратами энергии, чем при подводе кинетической энергии в любом другом месте поперечного сечения потока.

Для трубчатых теплообменных элементов реализация указанного способа может быть достигнута периодическим уменьшением сечения трубы диафрагмой с отношением внутреннего её диаметра d_э к внешнему , равным . Шаг таких сужений равен (1…5) [6].

Для пластинчато-ребристых поверхностей радиаторов указанный способ интенсификации, по данным Г.И. Воронина [7], может быть реализован нанесением штамповкой небольших сквозных просечек на чешуйчатые или жалюзийные поверхности, а также периодическим смещением канала на половину шага гофра вдоль хода теплоносителя. При протекании теплоносителя по каналу, образованному такими поверхностями, происходит местное внезапное сужение и расширение потока теплоносителя, что приводит к эффективной интенсификации теплоотдачи в канале.

В основу современных конструкций пластинчатых теплообменников положен метод турбулизации пристенного слоя посредством постоянного изменения направления потока и перемешивания его в каналах извилистой формы. За счет возникающих при движении жидкости в извилистых щелевых каналах потерь гидравлического напора происходит энергичное разрушение пристенного слоя и, следовательно, интенсификация теплообмена.

Для межпластинного канала, образованного пластинами ленточно-поточного типа с горизонтальными гофрами треугольной формы, характерны частые повороты под углом 100…120 при наличии закруглений на поворотах =1,5…3 мм [5]. При переходе жидкости с прямолинейного участка канала в изогнутый скорость потока вблизи выпуклой стенки повышается, а давление, соответственно, уменьшается (конфузорный эффект). При обтекании жидкостью вогнутой поверхности канала имеет место обратное явление: скорость понижается, а давление возрастает (диффузорный эффект). Эти явления приводят к отрыву транзитного потока от стенок. При плавном повороте канала указанные отрывы струи жидкости могут отсутствовать. В этом случае местные потери напора в значительной мере обусловливают имеющееся на повороте винтовое давление, вызванное действием сил инерции.

Размеры вихревых зон, возникающих при отрыве потока от стенки, различны и определяются тем, какого рода поверхность поток обтекает.

При отрыве потока от вогнутой стенки вихревая зона заполняет только угол поворота, не изменяя заметно сечения потока. Вместе с тем при отрыве от выпуклой стенки вихревая зона распространяется далеко за изогнутую часть канала. При этом сечение основного потока уменьшается.

Таким образом, в извилистом щелевидном канале ленточно-поточных пластин нет условий для сохранения стабилизированного пристенного слоя, он беспрерывно срывается на поворотах, снова нарастает на прямых участках и опять срывается, образуя эффект «начального участка» на протяжении всего межпластинного канала.

Другим дестабилизирующим фактором движения потока жидкости в таком канале является частое изменение сечения канала и, как следствие этого, изменение средней скорости потока вдоль поверхности при любой форме гофр.

Для межпластинного канала, образованного пластинами сетчато-поточного типа с наклонными гофрами треугольной формы, характерно большое количество контактных точек в местах пересечения гребней гофр. Между пластинами образуется канал сложной формы из повторяющихся элементов, причем поток жидкости, движущейся по всей ширине пластин, оказывается переформированным в точках контакта и напоминает сетку из сходящихся и расходящихся струй.

Профиль канала в сечениях вдоль потока между каждой парой основных точек непрерывно изменяется от ромба через ряд промежуточных форм до начального профиля. Поэтому средняя скорость жидкости в таком межпластинном канале остается постоянной для всей рабочей части пластины. Дестабилизация пристенного слоя в канале, образованном сетчато-поточными пластинами, достигается изменением направления струй, составляющих поток, как в плоскости пластины, так и в плоскости, перпендикулярной к ней.

Длина участка стабилизации при течении жидкости в извилистом щелевидном канале может быть определена по формуле [8]:

(14)

В пластинчатых теплообменных аппаратах, применяемых на молочно-животноводческих фермах, турбулизация потока жидкости в рабочих каналах начинается при значениях числа Рейнольдса свыше 500 [2].

Возникающая уже при этих значениях числа Рейнольдса турбулизация потока жидкости нарушает стабилизацию пристенного слоя, что и приводит к значительной интенсификации теплоотдачи. Именно поэтому в современных пластинчатых аппаратах с гофрированными теплообменными пластинами оказывается возможным достигать значительно более высоких значений коэффициентов теплоотдачи при относительно малых скоростях потоков жидкости. В этом и состоит одно из важных преимуществ пластинчатых аппаратов в сравнении с другими конструкциями.

Анализ путей интенсификации теплообмена, в особенности при помощи гофрированных рабочих поверхностей пластин теплообменников, показывает, что практически возможно достичь дальнейшего повышения значений коэффициентов теплоотдачи. Такое повышение позволит значительно увеличить общий коэффициент теплопередачи до 4000…5000 Вт/(м²•⁰С).

Изучение и разработка вопросов интенсификации теплообмена в пластинчатых аппаратах посредством выбора рациональных форм гофрировок теплообменных пластин с целью повышения их эффективности требует учета гидромеханических закономерностей работы этих аппаратов.

Наряду с интенсификацией теплообмена в пластинчатых пастеризаторах, не менее важно достижение одинаковой продолжительности пребывания частиц продукта в зоне обработки с целью получения достаточно надежного бактерицидного эффекта.

Одинаковая продолжительность пребывания всех частиц молока в зоне тепловой обработки связана с различными геометрическими параметрами межпластинных каналов: вида гофрировки, конструктивного выполнения входных и выходных участков, размещения опорных точек и др.

Исследования Н.В. Барановского [9], проведенные на моделях пластин с параллельной гофрировкой, показали, что коэффициент неравномерности пребывания частиц молока в рабочем канале увеличивается до 2-х и более с приближением режима течения жидкости к ламинарному.

Однако в проектных расчетах пластинчатых пастеризаторов по существующим методикам [10] этот фактор не учитывается, что приводит к неодинаковому по продолжительности тепловому воздействию на частицы молока. Последнее связано с введением в конструкцию установки специальных выдерживателей.

Для достижения надежного бактерицидного эффекта при обработке молока с относительно большой бактериальной обсемененностью, то есть второго и третьего классов, температуру пастеризации увеличивают до 87⁰С [10]. Последнее приводит к значительному снижению натуральных свойств обрабатываемого молока.

Исходя из вышеизложенного, обеспечение одинаковой продолжительности пребывания всех частиц молока в зоне обработки позволит достичь оптимизации технологических условий тепловой обработки молока в рабочих каналах пластинчатых аппаратов. При этом во всех слоях обрабатываемого молока обеспечивается достаточно надежный бактерицидный эффект без превышения заданной температуры пастеризации и увеличивается продолжительность безостановочной работы пластинчатого пастеризатора.

Список использованных источников

1. Тешев А.Ш., Ныров А.Х., Иллистинов М.А. Аналитическое обоснование и выбор наиболее рациональной формы резервуара-охладителя молока / Материалы III Межвузовской научно-практической конференции студентов и магистрантов аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа. - Нальчик. - 2014. - С. 86-89.

2. Тешев А.Ш., Урусмамбетов Х.Г. Разработка пластинчатой пастеризационно - охладительной установки сельскохозяйственного назначения / Материалы научно-практической конференции КБГСХА. - Нальчик. - 2001. - С. 122-126.

3. Шухов В.Г. Трубопроводы и их применение к нефтяной промышленности. - М.: ТЛ «Руиздат». - 1985. - 264 с.

4. Koch R. Druskverlust und warmeubergand bei verwirbeter Stramung VDI. Gottingen / Ausgabe B.Band 24.- 1958.- Р. 68-72.

5. Slejcher C. Experimental velocity and temperature profiles for air turbulent pipe low. «Paper soc.tech.enders» .- paper №57-НТ-9.- 1957.- Р. 132-138.

6. Тешев А.Ш., Жабелов А.А. Экспериментальные исследования теплоотдачи и гидравлических сопротивлений жидких сред в межпластинных каналах / Материалы V Межвузовской научно-практической конференции студентов и магистрантов аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа. - Нальчик. - 2016. - С. 173-176.

7. Воронин Г.И., Дубровский Е.В. Эффективные теплообменники.- М.: Машиностроение. - 1973. - 314 с.

8. Коваленко Л.М. Пластинчатые теплообменники для химической и нефтяной промышленности. - М.: ЦИНТИХимнефтемаш. - 1968. - 188 с.

9. Барановский Н.В. Пластинчатые теплообменники пищевой промышленности. -М.: Машгиз. - 1962. - 248 с.

10. Тешев А.Ш., Кишев М.А., Кумыков А.Х. Исследование и оптимизация параметров пластинчатых аппаратов для охлаждения и пастеризации молока на животноводческих фермах / Труды научного семинара «Механика». - Нальчик. - 2002. - С. 96-99.

Цитирование: