Василенко Сергій Михайлович. Теплообмін в парорідинних течіях теплообмінних апаратів харчових виробництв

Короткий опис

Василенко Сергій Михайлович. Теплообмін в парорідинних течіях теплообмінних апаратів харчових виробництв: дисертація д-ра техн. наук: 05.18.12 / Національний ун-т харчових технологій. - К., 2003

Василенко С. М. Теплообмін в парорідинних течіях теплообмінних апаратів харчових виробництв. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12. Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. Національний університет харчових технологій, Київ, 2003.
В дисертації представлені результати комплексного теоретичного та експериментального дослідження теплогідродинамічних характеристик низхідного кільцевого парорідинного потоку з випаровуванням та вільних струменевих течій, що утворюються при витіканні рідини із розподільних пристроїв щілинного типу. Розроблені нові методики розрахунку теплообміну та гідродинаміки цих течій, в основу яких покладені напівемпіричні математичні моделі, що базуються на вперше запропонованому принципі чергованості механізмів перенесення імпульсу та енергії в плівках та вільних плоских струменях рідини. Одержані емпіричні залежності для розрахунку теплообміну в низхідних кільцевих парорідинних потоках, у поодиноких і плоских струменях води під час конденсації на їх поверхні пари, а також залежність для розрахунку теплообміну під час конденсації пари із суміші з газами, що не конденсуються, на поверхні поодиноких струменів. Розроблена модель міжфазової взаємодії в низхідних кільцевих течіях та емпірична залежність для розрахунку еквівалентної шорсткості поверхні плівки рідини. Одержані залежність для визначення межі початку руйнування поодинокого струменя та залежність, що враховує вплив динамічної дії парового потоку на його рух.
Розроблена методика теплогідравлічного розрахунку плівкових випарних апаратів. Розроблені нові конструкції тепломасообмінних апаратів з безпосереднім контактом фаз та методики їх розрахунку та оцінки ефективності.

Вперше запропонований принцип чергованості механізмів перенесення імпульсу та енергії в плівках та вільних струменях рідини дозволив на основі результатів виконаних комплексних теоретичних та експериментальних досліджень розробити нові методики розрахунку теплогідродинамічних характеристик низхідного кільцевого парорідинного потоку з випаровуванням та вільних струменевих течій, характерних для витікання рідини з розподільних пристроїв щілинного типу за поперечного потоку пари. Розроблені нові конструкції тепломасообмінних апаратів, що впроваджені у виробництво, та методики їх розрахунку.
Проведене експериментальне дослідження теплогідродинамічних характеристик низхідного кільцевого потоку плівки яблучного соку, що випарюється, та пари в діапазоні зміни параметрів, характерному для плівкових випарних апаратів харчових виробництв.
Проведене експериментальне дослідження теплогідродинамічних характеристик вільних струменів води, що утворюються при витіканні рідини зі щілинних розподільних пристроїв за поперечного потоку пари та парогазової суміші, в діапазоні зміни параметрів, характерному для тепломасообмінних апаратів з безпосереднім контактом фаз в харчовій промисловості.
Встановлено, що в плівках рідин з випаровуванням за супутного потоку пари реалізується режим течії, перехідний від ламінарного до турбулентного, відповідно, існуючі методики розрахунку теплообміну, розроблені як для ламінарного, так і для розвиненого турбулентного режимів руху течії рідини в плівці, є не адекватними фізичній картині процесу.
Запропоновано враховувати перехідний режим течії в плівках рідини введенням поняття чергованості мехінізмів молекулярного та турбулентного перенесення імпульсу та енергії. В результаті проведеного комплексного теоретичного аналізу та аналізу експериментальних даних розроблено напівемпіричну модель перенесення кількості руху та енергії в плівці, що базується на цьому принципі чергованості механізмів перенесення. Для замикання моделі отримано розрахункову залежність коефіцієнта чергованості від характеристик парорідинного потоку.
Встановлено, що одновимірне моделювання теплообміну в низхідних кільцевих парорідинних потоках доцільно проводити на основі одержаних емпіричних залежностей, які враховують вплив інтенсивності міжфазової взаємодії на поверхні поділу рідина-пара.
Міжфазова взаємодія у всьому діапазоні зміни витратних характеристик фаз адекватно описується розробленою моделлю міжфазової взаємодії, яка враховує складний взаємозалежний вплив еквівалентної пісочної шорсткості та дотичного напруження на поверхні поділу рідина-пара. Замикання моделі здійснюється за допомогою емпіричної залежності для розрахунку еквівалентної пісочної шорсткості плівки, одержаної шляхом апроксимації результатів експериментального дослідження.
Аналіз результатів дослідження суцільності поодинокого вільного струменя рідини, що витікає зі щілинного розподільника за поперечного потоку пари дозволив одержати фізично обгрунтовану класифікацію режимів його течії та залежність для визначення межі початку руйнування струменя.
Рух поодинокого вільного струменя рідини за поперечного потоку пари адекватно описується напівемпіричною моделлю, для замикання якої одержана залежність, що враховує вплив динамічної дії парового потоку на рух струменя. Визначення початкової умови задачі руху плоского струменя рідини доцільно проводити за розробленою моделлю руху рідини по поверхням кільцевого та конічного розподільних пристроїв.
Інтенсивність теплообміну в пооодиноких вільних струменях рідини під час конденсації на їх поверхні чистої пари, а також пари із суміші з газами, що не конденсуються, слід розраховувати за одержаними в роботі емпіричними залежностями, достовірність яких підтверджена методами статистичного аналізу.
Теплоперенесення в плоских вільних струменях рідини пропонується описувати розробленою фізично адекватною напівемпіричною моделлю, яка грунтується на запропонованому в роботі принципі чергованості механізмів турбулентного перенесення в гомогенному ядрі струменя та в області пригнічення турбулентності біля міжфазової поверхні. Розрахунок інтенсивності турбулентного перенесення в гомогенному ядрі рекомендується здійснювати за розробленою в роботі напівемпіричною залежністю, необхідною для замикання моделі. При одновимірному моделюванні інтенсивність теплоперенесення слід розраховувати за одержаними емпіричними залежностями.
Розроблені науково обгрунтовані методики теплогідравлічного розрахунку плівкових випарних апаратів та елементів тепломасообмінних апаратів з безпосереднім контактом фаз, в основі яких лежать результати виконаних досліджень, внаслідок адекватності запропонованих моделей робочих процесів їх фізичному сенсу забезпечують максимальне наближення розрахованих та фактичних теплотехнологічних характеристик цих типів обладнання. Ці методики лягли в основу розроблення Смілянським філіалом УкрНДІпродмашу випарної установки для концентрування яблучних соків, теплообмінного апарата з кільцевою поверхнею теплообміну (патент України № 24111, 1998 р.), апарату для видалення аміаку з конденсатів (патент України № 30661, 2002 р.), пароконтактного теплообмінника безінерційної дії (деклараційний патент України № 30662 А, 2000 р.), апарата для видалення аміаку з соків бурякоцукрового виробництва, що входить до нового способу очищення дифізійного соку (деклараційний патент України № 31513 А, 2000 р.). Пароконтактні теплообмінники безінерційної дії (ПКП), щілинні розподільники рідини при реконструкції вакуум-конденсаторних установок та апарати для видалення аміаку з конденсатів впроваджені на ряді цукрових заводів України. Економічний ефект лише від переведення ПКП на обігрівання вторинною парою 5-го корпусу випарної установки замість вторинної пари 4-го корпусу складає 0,577 тон умовного палива на 1000 тон перероблених буряків. Методики теплогідродинамічного розрахунку плівкових випарних апаратів та елементів тепломасообмінних апаратів з безпосереднім контактом фаз передані УкрНДІЦП для використання при розробці та впровадженні сучасного тепломасообмінного обладнання в цукровій промисловості.