Результаты экспериментального исследования кинематики потоков жидкости в межпластинных каналах пластинчатых аппаратов

Молоко является одним из ценных продуктов животноводства. Содержание в нем легко усвояемых жиров, белков, углеводов, минеральных веществ и витаминов делает молоко особенно ценным в питании человека и основой для производства многих продовольственных товаров российского и мирового рынка.

Цены на него стабильно высоки, а рационально организованное производство достаточно рентабельно. Поэтому вопросы по разработке и научному обоснованию технических решений, реализующих ресурсосберегающие технологии производства и первичной обработки молока, являются актуальными.

На предприятиях молочной промышленности и в других отраслях народного хозяйства в нашей стране и за рубежом для тепловой обработки молока широко применяются пластинчатые теплообменные аппараты.

В статье авторов [1] была рассмотрена усовершенствованная методика их расчета. Данная статья посвящена экспериментальному исследованию кинематики потоков жидкости в межпластинных каналах таких аппаратов.

Основные кинематические характеристики движения потоков жидкости в межпластинных каналах теплообменников имеют большое значение для анализа возможностей интенсификации теплообмена и технологических условий работы этих аппаратов, которые должны учитываться при разработке их конструкций.

К этим характеристикам следует отнести, в первую очередь, качественную характеристику поля скоростей жидкостей, включая направления линий тока, наличие областей образования вихрей и застоя, характер рассеивания частиц поперек потока.

Практический интерес представляют качественные кинематические характеристики потока, такие как скорость потока по ширине пластин и соотношение между максимальной и средней скоростью потока. Важными являются также исследования условий возникновения ламинарного, переходного и турбулентного течения в извилистом щелевидном канале, а также условий появления пены и воздушных мешков. Связь перечисленных явлений с условиями эффективного использования поверхности теплообмена и эффективностью теплопередачи очевидна.

Поскольку данных по кинематике потоков жидкости в межпластинных каналах [2-7] недостаточно, и они были получены на основе экспериментов с приближенными моделями, для выявления наиболее эффективных форм гофрировки теплообменной пластины и их совершенствования требуется проведение специальных экспериментальных исследований. Для проведения исследований были подготовлены четыре экспериментальные модели, собранные из пластин серийных аппаратов и экспериментальных пластин, изготовленных из органического стекла (табл. 1).

Таблица 1. Параметры пластин и межпластинных каналов

Модели представляли собой одноканальные пластинчатые аппараты, собранные из трех пластин: одной из органического стекла и двух - из нержавеющей стали. Пакеты пластин размещались между толстыми прозрачными экранами, выполненными из органического стекла и служившими одновременно нажимными плитами. Для уменьшения возможных деформаций пластин при наличии внутреннего давления толщина прозрачных нажимных плит была принята 15 мм. К металлическим пластинам припаивались патрубки для подвода и отвода модельной и греющей жидкостей. С целью визуального наблюдения линий тока и других детальных особенностей движения жидкости были применены зонды, равномерно распределенные по всей поверхности исследованных пластин, и окрашенная жидкость.

Температура модельной жидкости в процессе опытов изменялась от 2 до 70 ⁰С, что позволяло провести исследования в широком диапазоне чисел как при изотермическом, так и при неизотермическом режимах.

Освещение исследуемых моделей осуществляли специальными источниками света. Киносъемка производилась регистрационной фотокамерой и скоростной кинокамерой. В соответствии с исследуемыми режимами съемка производилась со скоростью от 6 до 300 кадров в секунду.

Величину зазора между теплообменными пластинами определяли по алебастровым слепкам, а количество жидкости, переходящей через межпластинные каналы, - с помощью мерной емкости и секундомера.

Число Рейнольдса в исследуемых моделях изменялось от 135 до 5320, а внутреннее давление - от 0,1 до 1,2 атм. Измерение давления в межпластинных каналах осуществлялось с помощью стрелочных манометров класса 0.5. Опыты проводились на воде и молоке.

В межпластинных каналах пластинчатых аппаратов сельскохозяйственного назначения имеют место как восходящий поток жидкости при поступлении ее в каналы нижнего коллектора, так и нисходящий при поступлении ее из верхнего коллектора, причем при многопакетной компоновке нисходяще и восходящие потоки чередуются между собой. В связи с этим в опытах с прозрачными моделями важно было изучение режимов движения жидкости в межпластинных каналах, перехода режимов из одного в другой, образования вихрей и застойных зон. Наиболее точным способом констатации существования ламинарного течения и его перехода в турбулентное является визуальный, основанный на наблюдении за поведением струйки окрашенной жидкости, введенной в основной поток.

Как показали результаты опытов, в каналах, образованных теплообменными пластинами ленточно-поточного типа, а также пластинами сетчато-поточного типа, может при соответствующих скоростях не возникать турбулентности, и режим потока жидкости может оставаться ламинарным.

Однако характер течения струйки окрашенной жидкости в каналах, образованных теплообменными пластинами, отличается от течения в трубах и плоских каналах. Отличие объясняется действием сил, возникающих при обтекании жидкостью гофр и мест контакта теплообменных пластин, образующих канал. Ламинарные струйки окрашенной жидкости двигаются не прямолинейно, а плавно повторяют профиль гофр теплообменной пластины, и под их влиянием могут смешиваться в ту или другую сторону от начального направления движения. В канале, образованном пластинами сетчато-поточного типа, смещение от начального направления движения происходит в направлении наклона гофрировки теплообменной пластины.

Ламинарный режим течения в каналах, осложненных гофрами, сохраняется до определенного числа Рейнольдса, значительно меньшего, чем для гладких труб и плоских прямолинейных каналов.

При увеличении скорости, а, следовательно, и числа , возникают колебательные движения струек, разрывы и вихри, перемещающиеся вдоль пластин. При турбулентном режиме наблюдается полное нарушение струйного течения подкрашенной жидкости и заметное рассеивание её в поперечном направлении с сохранением общего направления тока. На переход от ламинарной формы течения жидкости к турбулентной влияет ряд факторов, вызывающих возмущение потока: наличие турбулизирующих элементов; условия ввода и вывода жидкости; скорость потока. Связь между характером движения жидкости и числом Рейнольдса для исследуемых межпластинных каналов была установлена путем наблюдений при постепенном увеличении скорости потока с переходом от ярко выраженного ламинарного течения к турбулентному, а затем при обратном переходе (вследствие уменьшения скорости). Исследования проводились на пяти моделях при зазоре между пластинами, изменяющемся от 2 до 6,8 мм.

Для определения критического значения числа Рейнольдса опыты были проведены при восходящем потоке, обеспечивающем наибольшую устойчивость движения. Результаты исследований, полученные для всех пяти моделей, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты исследований, полученные для всех моделей

Результаты опытов подтверждают предположение, что при движении жидкости в межпластинном канале, осложненном гофрами, переход от ламинарного течения к турбулентному происходит при значительно меньших числах Рейнольдса, чем для гибких труб и плоских прямолинейных каналов. Установлено, что переход от ламинарного режима к турбулентному происходит не внезапно. Имеется сравнительно большая область значений , соответствующая переходному режиму.

Нижние пределы указанных в таблице 2 интервалов свидетельствуют о существовании ламинарного режима течения в межпластинных каналах для жидкостей малой вязкости (вода, молоко, рассол и др.) только при малых скоростях потока, что редко имеет место на практике.

Для изучения линий тока и траекторий движения жидкости в межпластинном канале, образованном пластинами различных типов, были применены зонды и струи окрашенной жидкости. Исследования проводились на пластинах ленточно-поточного и сетчато-поточного типа.

При увеличении скорости движения жидкости в межпластинном канале и выходе за пределы ламинарного режима наблюдается колебание свободных концов зондов с постоянно возрастающей частотой. Однако общая ориентация зондов в потоке при больших скоростях движения жидкости та же, что и при малых скоростях. Введение в основной поток струек определенной жидкости позволило эту картину уточнить и дополнить. При движении жидкости в каналах, образованных ленточно-поточными пластинами, как при ламинарном, так и при турбулентном режиме в случае восходящего потока имеет место сплошное течение с четко выраженными линиями тока и траекториями. На входном участке канала наблюдается неразрывное диффузорное течение, сопровождающееся уменьшением скорости, причем участок расширения захватывает и часть извилистого канала. Как при ламинарном, так и при турбулентном движении жидкости на этом участке для обеих теплообменных пластин четко видны линии тока, которые изгибаются в сторону наклонной ветви прокладки. Аналогичная картина наблюдается на участке межпластинного канала, осложненном гофрировкой: движение окрашенных объемов происходит по линиям, почти параллельным границам канала, но слегка вогнутым на участках, прилегающих к входным и выходным отверстиям.

При ламинарном режиме течения жидкости в каналах, образованных сетчато-поточными пластинами, линии тока направлены параллельно гофрировке пластины. Такое направление движения для пластины ПОМ жидкость сохраняет на протяжении примерно одной четверти высоты пластины. Далее жидкость движется параллельно прокладке, а на входе из канала вновь изгибается. Для пластин с гофрировкой в «елку» место стыковки наклонных гофр при ламинарном режиме движения является как бы водоразделом, ограничивающим движение потоков в поперечном направлении. С увеличением скорости движения жидкости в межпластинном канале, а, следовательно, и увеличением турбулентности потока, влияние стыка сказывается значительно меньше, однако полностью его влияние на направление линий тока и распределение скоростей по ширине потока не исчезает даже при самых высоких полученных в опытах значениях .

При турбулентном движении жидкости в каналах, образованных пластинами ПОМ, и на входных, и на выходных участках пластин направление линий тока аналогично их направлению в пластинах ленточно-поточного типа. Рассеивание потоков краски для обеих типов каналов сильнее всего сказывается на входном расширяющемся участке, а на выходном отчетливо сказывается эффект смешивания, и вблизи стока вся жидкость оказывается окрашенной. Равномерное распределение скоростей потока обрабатываемого продукта (молока) по ширине теплообменной пластины пастеризационной установки имеет важное значение, так как оно предопределяет продолжительность времени пребывания обрабатываемого продукта в рабочем пространстве аппарата, которое должно быть примерно одинаковым для всех частичек продукта.

Особенности движения потоков жидкости в трубах, плоских и гофрированных каналах важны для объяснения явлений, составляющих основу механизации турбулентных течений, а также разработки методов инженерного расчета характеристик пограничного слоя. В этом отношении круглые трубы, благодаря простоте формы сечения, исследованы наиболее полно. Сочетание элементов гофрировки в межпластинных каналах ленточно-поточного и сетчато-поточного типов настолько сложно, что определение локальных значений скоростей с целью построения закона ее изменения в ядре потока в пристенном слое как по ширине, так и по длине канала, в настоящее время не представляется возможным.

Нами определялись скорости по ширине канала с целью получения соотношения , важного с точки зрения технологии обработки молока, а также выявления режимов движения жидкости в каналах, при которых это соотношение минимально. Изменение скорости потока жидкости осуществлялось в пределах 0,015…0,96 м/с (табл. 3). Анализ полученных данных показывает, что при ламинарном течении жидкости в каналах, образованных пластинами ленточно-поточного типа, отношение максимальной и средней скоростей потока находится в широких пределах (1,7…5,3). теплообменный пластина поток канал

Таблица 3. Результаты исследования изменения скорости потока жидкости

Установлено, что для моделей, выполненных из ленточно-поточных пластин, при малых скоростях потоков жидкости, а, следовательно, и малой инерции струи на входном участке, максимальная скорость частиц наблюдалась в некотором смещении от средней линии в сторону входных и выходных отверстий. Данное соотношение скоростей обусловлено длиной линии тока и тормозящим влиянием краев канала, которое проявляется достаточно заметно. С увеличением скорости потока на входном участке все большее значение имеет инерция струи. Максимальная средняя скорость потока при > 650 наблюдается не против входных отверстий, а на противоположной стороне от средней линии тока. На распределение скоростей по ширине канала, образованного пластинами П-1, большое влияние оказывают углубления под опорные выступы. На протяжении всего канала образуются сквозные дорожки, по которым устремляются потоки жидкости, не встречая значительного сопротивления. При движении жидкости в каналах, образованных сетчато-поточными пластинами, максимальная средняя скорость смещена от средней линии тока в сторону, противоположную входным и выходным отверстиям. В данном случае такое явление объясняется не только влиянием инерционных сил, но и наклоном гофрировки пластин.

Благодаря действию инерционных сил поток, двигаясь по наклонным гофрам, отбрасывается в противоположную сторону от отверстия входа и выхода и ударяется о стенку. Возникающее при этом противодавление затормаживает поток и поворачивает его поперек гофр к выходным отверстиям. Длина заторможенного участка зависит от кинетической энергии потока, то есть от скорости на входе. Следовательно, чем больше скорость, тем больше длина участка торможения потока на наклонных гофрах, а, значит, и условия стока жидкости вдоль пластин выравниваются, то есть скорости по сечению канала будут приблизительно одинаковыми. При плотном прилегании пластин типа АДМ по линии контактных точек соприкосновение максимально. Профиль распределения скоростей по ширине канала в этих местах имеет два выступа, свидетельствующих о минимальных скоростях потоков в области контактных точек.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлены:

1. Диапазоны чисел Рейнольдса, при которых возможно существование ламинарного, переходного и турбулентного режимов движения жидкости в межпластинных каналах.

2. Распределение скоростей потоков жидкости в плоскости пластины при различных режимах.

3. Изменение скоростей по ширине исследуемых пластин и соотношение между максимальными и средними скоростями, что позволяет определять оптимальный диапазон чисел Рейнольдса, при которых неравномерность продолжительности пребывания продукта в зоне губительных для микрофлоры температур минимальна.

4. Качественные характеристики движения жидкости, омывающей рабочую поверхность теплообменных пластин: форма и направление линий тока; наличие областей образования вихрей и застоя.

На основании результатов экспериментальных исследований разработана пластина марки По, которая позволит существенно повысить эффективность тепловой обработки молока на животноводческих фермах и комплексах в силу следующих преимуществ перед серийными:

- турбулентное движение в каналах пластины наступает при более низких числах Рейнольдса;

- обеспечивается более равномерное распределение пока жидкости по ширине канала;

- отношение максимальной скорости к средней близко единице в широком диапазоне чисел Рейнольдса;

- значительно меньше количество и величина застойных зон.

Список использованных источников

1. Тешев А.Ш., Шекихачев Ю.А., Мишхожев В.Х. Усовершенствование методики расчета пластинчатых теплообменных аппаратов // АгроЭкоИнфо. - 2018, №2. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/2/st_223.doc.

2. Тешев А.Ш., Ныров А.Х., Иллистинов М.А. Аналитич. обоснование и выбор наиболее рациональной формы резервуара-охладителя молока / Матер. III Межвуз. научно-практ. Конфер. студентов и магистрантов аграрных вузов Северо-Кавказского федер. округа. - Нальчик. - 2014- С. 86-89.

3. Тешев А.Ш., Жабелов А.А. Эксперимент. исследования теплоотдачи и гидравлических сопротивлений жидких сред в межпластинных каналах / Матер. V Межвуз. научно-практ. конфер.студентов и магистрантов аграрных вузов Северо-Кавказского федер. округа. - Нальчик. - 2016. - С. 173-176.

4. Бутник В.А., Тарасов Ф.М. Причины пригарообразования молока в пластинчатых теплообменниках / Молоч. промыш-ть. -1971, №12. - С. 22-23.

5. Тешев А.Ш., Ныров А.Х., Иллистинов М.А. Аналитическое обоснование и выбор наиболее рациональной формы резервуара-охладителя молока / Матер. III Межвуз. научно-практ. Конфер. студ. и магистрантов аграрных вузов Северо-Кавказского федер. округа. - Нальчик. - 2014. - С. 86-89.

6. Тешев А.Ш., Урусмамбетов Х.Г. Разработка пластинчатой пастеризационно - охладительной установки сельскохоз. назначения / Матер. научно-практ. Конфер. КБГСХА. - Нальчик. - 2001. - С. 122-126.

7. 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.

Размещено на Allbest.ru