Повышение эффективности работы выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потоков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Голубева, Ольга Алексеевна

• Голубева, Ольга Алексеевна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Голубева, Ольга Алексеевна

ГЛАВА I СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Гидродинамическая природа кризиса теплообмена при кипении внутри труб

1.2. Обзор к анализ существующих методик расчета критической плотности теплового потока

1 О ТТ.-. .---1. ГТ! Т 7 Г"\ Т: Т ЛТ7 --\ Т ? 1 7?Л7Т.'"\ТЗ ^Т.ТТ.ТГТ О О

1 * о. 110 о т зл о б к й. зздзч исол6д ов сшии

ГЛАВА II ИССЛЕДОВАНИЕ КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА ПЕРВОГО РОДА ПРИ КИПЕНИИ ПИЩЕВЫХ СМЕСЕЙ ВНУТРИ ТРУБ

2.1. Теоретические предпосылки исследования

2.2. Моделирование процесса

2.3. Экспериментальная установка для исследования кризиса -теплообмена при кипении пищевых смесей

2.4. Выбор объектов исследования и их основные характеристики

2.5. Методика проведения экспериментов

2.6. Система измерения параметров

2.7. Обработка результатов исследования, погрешности

ГЛАВА III РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ПИЩЕВЫХ СМЕСЕЙ В ТРУБАХ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ 3.1. Критические условия кипения пищевых смесей. Положение фГЪТИЛГЯ кризиса

3.2. Теплоотдача в критических условиях кипения пищевых смесей и влияние на нее различных факторов

3.3. Критический тепловой поток при кипении пищевых смесей внутри труб и влияние на него определяющих факторов ВО

Глава IV РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

4.1. Теоретические основы к разработке программы для расчета выпарных аппаратов. Описание алгоритма расчета

4.2. Область применения формул для расчета критической плотности теплового потока при кипении пищевых смесей в условиях естественной конвекции

4.3. Область применения формул для расчета критической плотности теплового потока при кипении пищевых смесей е условиях вынужденной конвекции

Глава V ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Основные рекомендации по повышению эффективности работы выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потокое

5.2. Ожидаемая техноко-экономическая эффективность внедрения результатов выполненной работы

5.3. Внедрение результатов исследования

ВЫВОДУ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потоков»

В пищевой, химической и целлюлозно-бумажной промышленности широкое распространение получили выпарные аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена, Знание основных закономерностей, характеризующих процесс выпаривания жидкостей, стало необходимым для создания новых, более эффективных установок и аппаратов. Отклонения е режиме работы выпарного аппарата от номинального могут привести к ухудшению качества конечного продукта, уменьшение его КЩ - к снижению технике-экономических показателей выпарной установки е целом.

Опыт эксплуатации и специальные исследования показали, что часть рабочего Бремени выпарных аппаратов приходится на критический режим кипения, который характеризуется резким уменьшением коэффициента теплоотдачи от греющей стенки к выпариваемой смеси. В результате наблюдается значительное снижение производительности аппарата, надежности его работы, качества выпариваемого продукта, накипание твердых частиц смеси на теплообменную поверхность, требующее последующей очистки внутренней части труб, увеличение энергозатрат, а значит,- удорожание производства. Таким образом, устранение кризиса теплообмена имеет большое практическое значение при выпаривании пищевых смесей. Прежде всего это относится к кризису теплообмена первого рода.

Исследование кризиса теплообмена первого рода проводилось на протяжении десятилетий. За это время выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований, В последние 10-15 лет проведена большая работа по систематизации и отбору наиболее достоверных экспериментальных данных, которые составили основу при разработке практических рекомендаций, а также поставлены физические эксперименты,позволившие глубже вскрыть механизм процесса, В литературе имеются обстоятельные обзоры моделей кризиса кипения и вариантов математического описания задачи. Однако, проблему нельзя считать решенной. Анализ работ показал, что пока еще нет полного понимания внутренних механизмов кризиса теплообмена и единых общепризнанных представлений об основах теории этого явления. Влияние на кризис значительного количества параметров затруднило описание хода процесса настолько, что в настоящее время не существует математических критериев, учитывающих воздействие одновременно всех факторов.

Выводы, сделанные на основе проведенного анализа литературных источников, показали многообразие работ, посвященных исследованию кризиса теплообмена первого рода. Однако, при сопоставлении результатов опытов разных авторов отмечены существенные расхождения, а часто даже противоречивые данные.

В области влияния кризиса теплообмена первого рода на эффективность работы выпарных аппаратов при кипении неоднородных многокомпонентных пищевых смесей ( далее пищевых смесей) исследования ведутся в очень ограничено, К ним при проведении расчетов применяется математический аппарат и закономерности, справедливые для чистых веществ, что приводит к значительному отклонению режима работы выпарных аппаратов от номинального.

В связи с изложенным, данная работа, проведенная на кафедре технологического и холодильного оборудования Мурманского государственного технического университета, посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию кризиса теплообмена первого рода при кипении пищевых смесей. Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потоков.

Диссертантом предпринята попытка выделить основные факторы., определяющие особенности критических тепловых потоков для пищевых смесей,к зависимости, которым они подчиняются. Полученные формулы полностью подтверждены экспериментальной проверкой. На основе проведенных исследований разработаны методы, и даны рекомендации по повышению эффективности работы выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потоков

В ходе исследований проведено более 500 экспериментов по выпариванию различных пищевых смесей в условиях свободной и вынужденной конвекции при разных значениях рабочего давления.

Сегодня невозможно представить процесс изучения и труд конструктора без применения ЭВМ, поэтому в данной работе предложена программа для расчета трубчатых выпарных аппаратов, позволяющая значительно ускорить и облегчить конструкторские разработки.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Голубева, Ольга Алексеевна

выводы

1. Проведены исследования кризиса теплообмена первого рода для многокомпонентных пищевых смесей, кипящих внутри труб. На основании полученных результатов разработан способ его устранения.

2. Разработана экспериментальная установка, позволяющая исследовать кризис теплообмена первого рода для пищевых смесей на примере рыбного бульона, раствора томатной пасты и отвара морских водорослей.

3. Установлено, что при кипении пищевых смесей внутри труб происходит последовательная перестройка структуры потока от пузырьковой до эмульсионной. Для исследованных смесей характерны все три режима кипения: пузырьковый, пробковый (снарядный) и эмульсионный. Вблизи критического состояния, в связи с резким снижением поверхностного натяжения, основным режимом кипения смеси является эмульсионный.

4. Выявлено, что расположение кризиса теплообмена для пищевой смеси определяется прежде всего степенью ее недогрева до состояния насыщения на входе в парогенерирующую трубу и скоростью движения, чем выше указанные параметры, тем ближе к выходу возникает кризис. При этом температура наступления кризиса теплообмена пищевой смеси повышается с увеличением плотности пищевой смеси.

5. Подтверждено опытами, что параметром, определяющим кризис теплообмена первого рода пищевой смеси, является критическая плотность теплового потока, повышающаяся с увеличением массовой скорости смеси, ее плотности, степени недогрева на входе в парогенерирующую трубу и уменьшением отношения основных геометрических параметров последней (1/с1вн).

6. Получены эмпирические зависимости для расчета первой критической плотности теплового потока, коэффициента теплоотдачи в момент кризиса, и критической разности температур для пищевых смесей в условиях естественной и вынужденной конвекции,

7. На основании результатов исследований составлены исходные требования на проектирование однокорпусных выпарных установок с паровым обогревом.

8. Разработаны алгоритм и программа расчета выпарных аппаратов с паровым обогревом.

9. Разработана схема автоматизации промышленных выпарных аппаратов с трубчатой теплообменной поверхностью и паровым обогревом, позволяющая избежать работы в критических режимах кипения.

10. На основании экспериментальных и теоретических исследований кризиса теплообмена первого рода для пищевых смесей даны рекомендации по повышению эффективности работы выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потоков для промышленного использования .

11. Внедрение выполненных разработок позволило повысить производительность однокорпусных выпарных установок по готовому продукту на 20 % , сократить затраты тепла на производство 1 кг упаренной смеси на 21 %. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов выполненной работы для промышленной установки производительностью 3000 кг/ч упаренной смеси в ценах 1997 года составляет 422 млн.руб в год. Окупаемость дополнительных капитальных вложений 1 год.

- 1 1 у

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Голубева, Ольга Алексеевна, 1998 год

1. Аверин Е.К. , Кружилин Г.Н. Теплоотдача при кипении воды в условиях вынужденной циркуляции. // Теплообмен при высоких тепловых нагрузках и других специальных условиях. / Под.ред.Арманда

2. A.A.- М.: Госэнергоиздат, 1989.- С. 115-120.

3. Авксентюк В,П,, Кутзтеладзе 0,0, Неустойчивость режима теплообмена на поверхностях обедненных центрами парообразования.-ТВТ, 197?, т.15, N 1,- С. 115-120,

4. Аладьев ИЛ., Дорощук В.Е, , Миропольский З.Л., Стырикович М.А. Кризис кипения в трубах, // Теплопередача,- Изд-во АН СССР, 1962.- С. 124-131,

5. Аладьев ИЛ,, Горлов И.Г., Додонов Л.Д. . Федынский О.С, Теплообмен при кипении в трубах с равномерным тепловыделением, // Исследование теплообмена, гидродинамики и теплофизических свойств веществ,- М.: Наука, 1968,- С. 131-154.

6. Алферов Н.С., Рыбин Р.А, Критические тепловые потоки при течении воды и пароводяной смеси в трубах, // Конвективная теплоотдача в двухфазном и однофазном потоках. / Под.ред.Боришанского

7. B.М. и Палеева И.И,- М.г Энергия, 1964.- С, 278-320,

8. Барабин В.П, , Севастьянов Р.И., Аладьев ИЛ, Об одном гидродинамическом методе воздействия на кризис кипения в тубах, // Исследование теплообмена, гидродинамики и физических свойств веществ. /' Под,ред, Аладьева ИЛ. М. : Наука, 1968,- С, £13-£24.

9. Беккер K.M., Перосон К.Т. Анализ возникновения кризиса кипения при течении кипящей воды в вертикальных круглых каналах, // Труды американского общества инженеров-механиков, Теплопередача, N 4, 57, 1964.

10. Бобрович Г.И.} Кутателадзе С.С. Влияние концентрации опирто-водяной омеои на критическую плотность теплового потока. // Прикладная механика и техническая физика, N4, 1954.- С. 13-19.

11. Богданов Ф.Ф. Исследование критических тепловых потоков в трубах при движении в них моноизопропилдифенила, недогретого до температуры насыщения. /V Атомная энергия, 17, вып.5, 408,1964,

12. Еориша,некий В.М., Козырев А.П., Светлова A.C. Теплообмен при кипении воды в широком диапазоне изменения давления насыщения. // Теплофизика высоких температур, N 4, 1964.- С. £6-32.

13. Вайсман М.Д. Термодинамика парожидкоотных потоков.- Л.: Энергия, 1967,- 272 с,

14. Василь ев Л. Л.,Конев C.B. Теплопередающие трубки,-Минск; Наука и техника, 1972.- 152 с.

15. Верхман С.И. Критические тепловые потоки при кипении жидкого азота, недогретого до температуры насыщения в условиях вынужденного движения. // ЖПМТФ, N1, 1969.- С, 90-92.

16. Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния, ГЭИ, 1969.- 203 с.

17. Голубева O.A. Критические тепловые потоки при кипении пищевых смесей в трубах выпарных аппаратов. // Тезисы докладов 9й научно-технической конференции МГТУ (Мурманск, 20 30 апреля, 1998 г.). - Мурманск: МГТУ, 1998.- С.60.

18. Голубева O.A. Теплоотдача в условиях кризиса в трубах выпарных аппаратов. // Тезисы докладов 9~и научно-технической конференции МГТУ (Мурманск, 20 30 апреля, 1998 г.). - Мурманск: МГТУ, 1998.- С.58.

19. Голубева O.A., Комаров Г.А. Устранение кризиса теплообмена в выпарных аппаратах. // Тезисы докладов 9~й научно-технической конференции МГТУ (Мурманск, 20 30 апреля, 1998 г.). Мурманск: МГТУ, 1998.- С.59.

20. Голубева O.A. Исследование кризиса теплообмена первого рода в трубах выпарных аппаратов. // Препринт,- Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1998.- 29 с.

21. Григорьев Л.Н., Усманов А.Г. Теплообмен при кипении азе-отропных смесей. /'/ Инженерно-физический журнал, 1959, т. XI, N9. С. 114-118.

22. Дикие М.Я., Мальский А.Н. Технологическое оборудование консервных заводов. М.: Пищевая промышленность, 1973.-253 с.

23. Дорощук В.Е. Кризисы теплообмена при течении воды в трубах.- М.: Наука, 1970.- 167 с.

24. Зысина Моложен Л.М., Зысин Л.В., Поляк М.П. Теплообмен в турбомашинах,- Л.: Машиностроение, 1974.- 367 с.1.--«1. О

25. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия, 1973.- 750 с.

26. Кассандрова О.И., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений.- М.: Наука, 1970.- 56 с.

27. Катто Ю. Критические тепловые потоки при кипении. // Перевод с англ.- Сан-Франциско, США, 1986.- 35 с.

28. Кутателадзе С.С., Бобрович Г.И. Применение метода подобия для обобщения экспериментальных данных о критических тепловых потоках в кипящей жидкости. // Атомная энергия, N 12, 1960.-С. 14-28.

29. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена.- М., Л.: Машгаз, 1970.- 658 с.

30. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.Н., Кидряшкин А.Г. 0 теории теплообмена при пузырьковом кипении. // Техническая физика, т.8, N1, 1985. С. 12 - 24.

31. Кутателадзе С.С. Анализ подобия и физические модели.-Новосибирск: Наука, 1986.- 290 с.

32. Кутателадзе С.С., Москвичева В.Н. 0 связи гидродинамики двухкомплексного слоя с теорией кризисов в механизме кипения. // Техническая физика, т.29, N9, 1989.- С. 78-85.

33. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г, Гидродинамика и теплообмен при парообразовании,- М.: Высшая школа,1986.- 448 с,

34. Мичч<=*нко Ф. П. , Фиопова Я. В. Теплоотдача- к водр и япттны^ растворам солей лития при пузырьковом кипении в большом объеме, // Вопоосы теплоотдачи и г идоавлики двухфазных ппед / Под прд С.0.Кутзтеладзе М.-Л.: ГЗИ, 1961,- С. 117-128.

35. ЛЯ Х4тлиг\ттп ЛЬ рц*тят> ТТ Щт.тттхлри? Р ЬГтчтлптглттогчлтлсь гр^гттготэглсь ттп—токи при кипении воды е каналах. /7 Атомная энергия, 11, вып.6, 515, 1961,

36. Никитин Е.Д. , Пзвлое П. А, Устойчивость поверхности раздела жидкость-пар, /У Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах: сб. научных трудов.- Новосибирск, 1977.- С. 285-290.

37. Николаев Н.К. Номограмма для определения теплофизичеоких констант томатопродуктов. // Консервная и овощная промышленность,1. М Д "¡ЧуЯ р

38. Нуждин А.С., Ужанский В.С. Измерения в холодильной технике,- М.: Агропромиздат. 1986,- 368 с.49. ирнатский А.П. Влияние длины и диаметра трубы на величину критического теплового потока. // Теплоэнергетика, N 6, 1960.

39. Орнатский А.П., Кичигин A.M. Исследование зависимости критического теплового потока от весовой скорости, недогрева и давления. // Теплоэнергетика, N 2, 1961. С. 3- 16.

40. Орнатский А.П., Винерский A.C. Кризис теплообмена в условиях вынужденного движения недогретой воды е трубах малого диаметра. // Теплофизика высоких температур, N 3, 1965. С. 8- 17.

41. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.- Л.; Химия, 1987,- 576 с.

42. Павлов П.А., Исаев O.A. Барокапилярная устойчивость поверхности струи перегретой жидкости. // ТВТ, т.22, N4, 1989.-С. 745-752.

43. Павлов Ю.М., Муравых А.И., Леонов В.А. К расчету теплоотдачи при пузырьковом кипении криожидкостей. // Советско-западногерманский симпозиум.Теплообмен в криогенных системах.Тез.доклада. Харьков, 1985.- С. 91-92.

44. Петухов B.C., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках,- М.: Атомиздат, 1974.- 407 с.

45. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии.- М.: Химия, 197*2.- 492 с.

46. Поварнин П.И. Исследование кризиса кипения при течении недогретого метилового спирта. // ГМГФ, N 3, 1963. С. 5- 15.

47. Попов В.В., Виленский Г.Е. Справочное пособие по тепло-физическим характеристикам пищевых продуктов. КТИРПиХ, 197*8. -35 с.

48. Проскуряков A.B. Экономия и организация разработок освоения и производства изделий микроэлектроники. М.: Высшая школа, 1987.- 134 с.

49. Рекомендации по расчету кризиса теплоотдачи при кипении воды в круглых трубах. // Препринт.- М.: ИВТ АН СССР, 1-57, 1985.- 67 с.

50. Рыбин P.A. Исследование влияния диаметра трубы на величину критической тепловой нагрузки при кипении воды. // ИФЖ, N2, •15, 1963.

51. Стабников В.Н., Попов В,Д., Лысянский В.М., Федько Ф.А. Процессы и аппараты пищевых производств.- М.: Пищевая промышленность , 1976.- 663 с.

52. Севастьянов Р.И., Захаров Ю.В., Аладьев И.Т. 0 влиянии длины трубы, неравномерности тепловыделения и завихрителей типа "шнек" на критические тепловые потоки в трубах. // Энергетика и транспорт, N 1.- Изд-во АН СССР, 1965.- С. 37-47.

53. Стерман Л.С., Михайлов В. Д. Определение критических тепловых потоков при кипении в трубах высококипящего теплоносителя. // Теплоэнергетика, N 2, 1963.- С. 25-31.

54. Стерман Л.С., Михайлов В.Д., Вилемас Ю.В. Критические тепловые потоки при кипении органических жидкостей в трубах и вбольшом объеме, // Кризис кипения и температурный режим испарительных поверхностей нагрева. Труды ЦКТМ, вып.5.- JL , 1385.-С, 15-28.

55. Толубинский В.И,, Домашев Е.Д. К расчету кризиса теплоотдачи при кипении в каналах. // Тепло- и массообменные процессы,- Киев, Наукова думка. 1986.- С. 3-13.

56. Тонг Л, Теплоотдача при кипении и двухфазное течение,- -М.: Мир, 1969.- 344 с,74, Физическая энциклопедия, т.1.- М.: Советская энциклопедия, 1988,- 875 с.

57. Шлыков Ю.П., Абрамов A.M.« Ленгардт А.Д., Михайлов В.Д. Критические тепловые нагрузки при вынужденном движении моноизоп-ропилдифенила в трубах и каналах. // Теплоэнергетика, N 2, 1964.1. С. 7- 15.

58. Штоколов Л.С. Кризис теплообмена при кипении этилового спирта в области больших скоростей течения. // ИФЖ, N 3, 12, 1964.

59. Штоколов Л.С. Опыт обобщения данных о критических тепловых потоках при кипении жидкостей в области больших скоростей течения. // ПМФТ, N 1, 1964.- С, 11-14.

60. Штокалов М.С. Опыт обобщения данных о критических тепловых потоках при кипении жидкостей в области больших скоростей течения. // Инженерная физика, т.12, N 12, 1984.- С. 128-131.

61. Юсуфова В.Д.и др. Исследование процесса и критических тепловых нагрузок при кипении органических теплоносителей в трубах. /У Кризисы теплообмена и околокритическая область.- Л.: Наука, 1991.- С. 58-63.

62. Ahmad S.Y. Fluid to Fluid Modelling1 of Critical Heat Flux: A Compensated Distortion Model. Int. I. Heat Mass Transfer, 16, 641- 1973.

63. Babcock D.F. Heavy Water Moderated Power Reactors.Progress Rept., Jan.-Febr. 1964.- USAEC Rept. DP-895,1964.

64. Bernath L, A Theory of Local-Boiling: Burnout and Its Application to Existing1 Data . Chem. Eng. Progr., Sump.Ser.4 56, N 30, 95-116, 1960.

65. Bertoletti S., Gaspari G.P., Lombardi C., Soldaini G., Zavattarelli R, Heat Transfer Crisis in Steam-Water Mixtyres.Experimental Data in Round Tubes and Vertical Upfiow Obtained du1. J- viring the CAN-2 Program.CISE R-90,- Milan, 1964,

66. Zuber N. On the stability of Boiling- Heat Transfer.

67. Trans.ASME.J,Heat Transfer, 1958, v.80, N 3, 711-720 p.

68. Katto Y. Critical Heat Flux. Adv. in Heat Transfer, 1985, v.17, P.1-64.

69. Ledinegg M. Instability of Flow during- Natural and Forced Circulation.- U5AEC Rept.AEC-tr-1861,Die Warme, 61, 891-898, 1983.

70. Tong L.S., uurrin H.B.,Engel F.C. DNB (Burnout) Studies in an Open Lattice Core.- USAES Rept. WCAP-3736, 1964.

71. Tong L.S., Currin H.B., Larsen P.S., Smith O.G.' Influence of Axially Nön-uniform Heat Flux on DNB, A.I.Ch.E.Preprint 17,

72. Eighth National Heat Transfer Oonf.- Los Angeles. 1965.94. long: L.S, Ourrin H.B. , Thorp A.G. II New Correlations Predict DNB Conditions.Nucleonics, 21, N5, 43-47, 1963,

73. Hauptmann E.G., Lee V,, McAdam D. Two-phase Fluid Modelling: of the Critical Heat Flux, Proc. of, Inst, Meeting, Reactor-Heat Transfer,- Karlsruhe, Oct. 9-11, 1973.- 557 p.