Тепломассоперенос и гидродинамика при адиабатном вскипании и конденсации в вакуумных диспергаторах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Национальная Академия Наук Украины Институт технической теплофизики

Гулый Сергей Иванович

Р Г Б ОД

На правах рукописи

V ПН В |?р

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС И ГИДРОДИНАМИКА ПРИ АДИАБАТНОМ ВСКИПАНИИ И КОНДЕНСАЦИИ В ВАКУУМНЫХ ДИСПЕРГАТОРАХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная

физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев -1994

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Киевском политехническом институте и Институте технической теплофизики HAH Украины.

Научные руководители :

доктор технических Наук, Накорчевский А.И., доктор технических наук, профессор, Федоткин И.М.

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, профессор, Дикий НА.,

кандидат технических наук, Кудрицкий Г. Р.

Ведущая организация :

Технологический институт Мяса и Молока УААН

Защита диссертации состоится " " 1995 г. в ^^ часов

на заседании специализированного ученого совета К 016.43.02. в Институте технической теплофизики HAH Украины по адресу : 252 057, г. Киев -57, ул. Желябова, 2а.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института технической теплофизики HAH Украины

Автореферат разослан

»зо»

1994 г.

Ученый секретарь ученого специализированного совета доктор технических наук

Ф.А. Кривошей

ОБЩАЯ ХАРАОЕШСДЖАиеАБОГЬЬ

Актуальность работы. Проблемы ресурсосбережения занимают ведущее место в процессах переработки пищевых и химических продуктов.Гомогенизация является одной из разновидностей переработки молока, которая позволяет улучшить вкусовые и органолептические показатели, увеличить сроки хранения и наладить выпуск низкожирной молочной продукции, сократить потери молочного жира. Используемые в настоящее время на предприятиях молочной промышленности Украины механические гомогенизаторы клапанного типа зарубежного производства отличаются высокой стоимостью и значительным потреблением электроэнергии.Отечественные клапанные и центробежные агрегаты энерго- и металлоемки, ненадежны в эксплуатации, требуют частой замены основных узлов и деталей. Отсутствие в настоящее время в промышленности эффективных и экономичных диспергаторов делает актуальным поиск новых способов гомогенизации эмульсий, их всестороннее теоретическое и экспериментальное исследование. Поскольку молочные эмульсии относятся к классу гетерогенных систем, которые недостаточно теоретически исследованы, то решение задач математического описания процессов тепломассопереноса в таких системах расширяют знания в этой области науки.

Цель работы . Разработка способа диспергирования эмульсий и принципиальной схемы диспергирующего аппарата, их всестороннее теоретическое исследование методами физико-математического моделирования и экспериментальная проверка эффективности предложенного способа.

Научная новизна. Разработана модель течения вскипающей жидкости в канале, учитывающая транспортный эффект действия присоединенной массы паровых пузырей в фундаментальной системе уравнений сохранения массы, количества движения и энергии. Установлено, что действие транспортного эффекта усиливается с ростом неравновесности двухфазного потока и проявляется вблизи выходного сечения канала. Предложена математическая модель динамики парового пузыря, движущегося в объеме жидкости при условии АР<0 и ДТ<0, учитывающая конвективный характер отвода теплоты с межфазной границы. Установлено, что монотонный или нерегулярно-колебательный тип схлопывания зависит от сочетания значений начальной температуры, скорости движения и радиуса пузыря.

Экспериментально установлено наличие эффекта диспергирования при истечении в вакуум вскипающе-конденсирующихся жировых эмульсий.

Разработана принципиальная схема гомогенизатора контактного типа и определены его габаритные размеры. Данный аппарат

заменяет секции регенерации в линии кратковременной пастеризации молокозаводов и позволяет осуществлять процесс гомогенизации молока без дополнительного подвода энергии.

Все результаты, приведенные в диссертационной работе, получены лично автором или при его непосредственном участии.

Достоверность полученных результатов. Обеспечивается следующими основными положениями: 1) предложенные математические модели базируются на фундаментальных уравнениях сохранения механики сплошной среды; 2) использованные при расчетах численные методы отличаются сходимостью и устойчивостью; 3) расчетные кривые при сопоставлении с опытными данными различных авторов совпадают с требуемой степенью точности; 4) при определения степени дисперсности эмульсий примененялись современные высокоточные методы.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являлись гетерогенные системы. Для описания процессов течения вскипающей жидкости е канале и динамики движущегося парового пузыря использовался метод физико-математического моделирования и выполнялись численные расчеты. Определение эффекта диспергирования проводилось на экспериментальном стенде с привлечением современной контрольно-измерительной аппаратуры.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Установлены оптимальные параметры работы диспергирующего аппарата,предложена принципиальная схема гомогенизатора контактного типа, определены его габаритные размеры, показана возможность 1 гомогенизации предложенным способом в линии пастеризации молокозаводов без привлс -гения дополнительных затрат энергии.

Разработанные математические модели и результаты экспериментальных исследований использованы при выполнении следующих работ :

тема № 6.91 "Исследовать влияние истечения молочной жидкости в вакуум на дисперсность жировой фазы" (Технологический Институт Мяса и Молока УААН, раздел г/б НИР "Разработать научные основы управления процессами разрушения эмульсии молочного жира и стабилизации дисперсных структур в жировых молочных системах", программа "Продовольствие-95", 1992/1993).

тема № 2364 "Создание высокоэффективного перемешивающего устройства технологических аппаратов для проведения гидромеханических и тепломассобменных процессов" (Киевский политехнический институт, 1992-1994 гг.).

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась на заседании кафедры химического, полимерного и силикатного машиностроения Киевского политехнического института, на совместном

научном семинаре отделов тепломассообмена в дисперсных системах, теплообмена при фазовых превращениях и термодинамики газовых потоков Института Технической Теплофизики HAH Украины.

Основные результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции "Разработка и внедрение новых технологий и оборудования в пищевую и перерабатывающие отрасли АПК" (Киев, 19-21 октября 1993 г.)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 1 авторское свидетельство.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающей 156 наименований, двух приложений. Работа изложена на 107 страницах основного текста, содержит 26 рисунков, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ.

Во введении обоснована актуальность тематики диссертационной работы, кратко рассмотрены основные современные способы диспергирования эмульсий, указывается на их недостатки. Отмечается, что принцип дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) применительно к гомогенизации эмульсий позволяет значительно снизить энерго- и металлоемкость процесса. В соответствии с принципом ДИВЭ предложен способ диспергирования, который состоит в том, что нагретую до температур 70-90°С струю молока направляют через канал в вакуумную камеру, в которой поддерживается температура ниже температуры насыщения. Образовавшиеся при адиабатном вскипании в канале паровые пузыри при охлаждении в сосуде будут схлопываться, вызывая эффект диспергирования. Для реализации да иного способа необходимо решить задачи, связанные с математическим моделированием вскипающих потоков жидкости и динамики движущегося парового пузыря.

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

Выполнен критический обзор моделей течения вскипающих жидкостей и динамики паровых пузырей. Классификацию существующих моделей течения вскипающих жидкостей предлагается проводить по наиболее существенному критерию - учету проявлений

неравновесности. В равновесных моделях принимается равенство скоростей и температур паровой и жидкой фазы, в неравновесных учитываются различные формы отклонения от этих условий.Равновесные модели в ряде случаев дают приемлемые результаты при расчете течений в длинных трубах. Для расчета сильно ускоряющихся течений в коротких соплах и насадках равновесные модели мало пригодны. Интенсивно развивающиеся в последнее десятилетие неравновесные модели более физически корректно описывают процесс и лучше соответствуют опытным данным. Однако для их замыкания требуется большое количество дополнительной информации, характеризующей межфазное взаимодействие, тепло- и массоперенос, трение, что усложняет решение задачи. В работе приводится сводная таблица, иллюстрирующая степень учета кинематической и термодинамической неравновесности различными авторами, а также основные исходные условия моделей, отражающих нестационарность, массообмен, механизм вскипания, размеры и концентрацию паровых зародышей, режим течения. Указывается, что в ряде работ недостаточно полно учтены неравновесные проявления и межфазное взаимодействие. Транспортное действие силы присоединенной массы, играющей решающую роль в сильно ускоряющихся потоках, во всех рассмотренных моделях не учитывается.

Задачи динамики паровых пузырей рассматриваются для случая неподвижного и движущегося пузыря. Анализируются основные результаты, полученные для четырех основных схем, характеризующих определяющий механизм роста, - динамической инерционной, динамической вязкой, энергетической тепловой, энергетической молекулярно-кинетической. Для движущихся пузырей рассмотрены решения, полученные для постоянной скорости движения и некоторые частные случаи переменой скорости. Отмечено, что в реальных объектах скорость движения пузыря не является наперед заданной функцией определенного вида, а должна определяться из уравнения -сохранения импульса пузыря, которое в большинстве работ не учитывается. Конвективный характер отвода теплоты, который становится определяющим при значительной скорости относительного движения, практически не рассматривается при замыкании моделей.

На основе выполненного анализа известных методов физико-математического моделирования течения вскипающих жидкостей и динамики паровых пузырей в главе 1 формулируются выводы и задачи теоретических и экспериментальных исследованиий. В задачи теоретических исследований входит разработка математической модели, описывающей течение адиабатно вскипающих жидкостей в каналах и соплах различной геометрии с максимально возможным учетом неравновесных проявлений потока и транспортного действия

присоединенной массы; выполнение численных расчетов и

сопоставлениеих результатов с экспериментальными данными в широком дипазоне температур и давлений, оценка влияния изменения начальных условий на характер получаемых результатов; разработка математической модели конденсации пароЕого пузыря движущегося в объеме холодной жидкости с учетом конвективного отвода теплоты в условиях АР < 0 и ДТ< 0 ; определение оптимальных параметров окружающей среды и пузыря, обеспечивающих при его схлопывании наибольшее динамическое воздействие на находящуюся в окрестности жировую частицу; сопоставления результатов численных расчетов с имеющимися в литературе опытными данными.

Экспериментальные исследования включают в себя следующие задачи : расчет, проектирование и изготовление узлов и элементов для существующего экспериментального стенда, обеспечивающих проверку в лабораторных условиях возможности диспергирования водо -

масляных эмульсий в соответствии с предложенным способом; проведение исследований по выявлению эффекта дробления дисперсных частиц при адиабатном вскипании жидкости с последующей конденсацией; установление факторов, влияющих на степень гомогенизации эмульсий. На базе полученных теоретических и экспериментальных результатов предусматривается выполнение

конструктивного расчета теплообменного аппарата, выполняющего функции гомогенизатора в линии пастеризации молока.

ГЛАВА 2. НЕРАВНОВЕСНАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ АДИАБАТНО ВСКИПАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ С УЧЕТОМ ТРАНСПОРТНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИСОЕДИНЕННОЙ МАССЫ ПАРОВЫХ ПУЗЫРЕЙ.

Рассматривается транспортное действие присоединенной массы паровых пузырей в потоках вскипающей жидкости. Суть этого действия сводится к тому, что часть жидкости, двигающаяся со скоростью паровых пузырей в виде их присоединенной массы, переносит дополнительный поток массы, импульса и энергии, который может быть учтен в исходной системе уравнений сохранения. Объемную концентрацию этой части жидкости удобно записать в виде

Вз = 0,5кгт Вт. " (2Л)

где множитель 0,5 соответствует присоединенной массе одиночной сферы, ¿-^-коэффициент формы, ¿2т = (Вц - В^/З^, В21 = 0,99-

Объемный характер вскипания и отсутствие внешнего периферийного теплового источника позволяет рассматривать задачу в одномерной постановке. Учитывается скоростная и термодинамическая

неравновескость. Принимается, что давления в фазах одинаковы; вскипание наступает при выполнении условия Р ^ Ps на фиксированном числе примесных зародышей, имеющих объемную концентрацию п20, образование новых центров в процессе вскипания не происходит; паровая фаза находится в состоянии насыщения; по всей длине тракта шток сохраняет пузырьковую структуру;все пузыри сохраняют сферическую форму, их радиусы одинаковы, взаимодействие и слияние пузырей отсутствует; жидкость принимается несжимаемой средой, пар подчиняющейся уравнению состояния идеального газа; теплофизические свойства жидкости и пара зависят от температуры и вычисляются по аппроксиммирующим зависимостям.

Исходная система уравнений сохранения массы, импульса и энергии, записанная для паровой и жидкой фазы записывается в виде

ds ч (2.2)

^(рМт+ВзUi)s У (М21 - Mn)s

d s ч (2.3)

-fa^BiUiSy -(Mil- Ma)s

j^(?№ux + Bm2)u2S ) p^B3)gxS -(Bi + Bjs— ♦ (2 4)

{МъкЦш-Mnu^S -(Flw + F3„)2nRu + FmS +FfS

P2B2uls)-p2B2gxS-B2S (25)

{м12к^и1- M2lu2)s -F2w2kRw-F„,S ~FfS

(p, (¡ft и, + Вг m)El S У -fa Qiw + Bi Q3.)2kR„ +■ (W2l - W^S + '2"6>

*(MnE2-MnE^S + S

j-($2B2u2E2S У-B2Q2aKR» + №n-w2)s - (2J)

+(MnE\~ M21 E2)S -Mn^Y^-S

Bi + B2+B3=l ,

„ Si _ V2 4 /3 kR\

(2.8) (2.9)

Система уравнений (2.1)-(2.9) отличается от традиционной тем, что в левой части уравнений сохранения для жидкой фазы учтено дополнительное количество массы, импульса и энергии, переносимое за

счет транспортной способности присоединенной массы. В потоке, в котором учитывается скоростная неравновесность в пределах жидкой фазы, величине В\ будет соответствовать сумма В\+Ву Поэтому некоторое изменение претерпели и правые части уравнений сохранегаш количества движения и энергии для жидкости. Наличие слагаемых Р3„ и 03„ отражает увеличившиеся трегаге о стенку и теплопотери. Запись уравнений сохранения для пара не изменилась. При З3 = 0 система (2.2)-(2.9) , переходит в традиционную систему уравнешш сохранения. Совместно с соотношением (2.1) система (2.2)-(2.9) становится замкнутой, так как содержит 9 неизвестных (м,,(* = 1 = 1,2,3), Р, Е\, , Мц )

и столько же уравнений. Однако для ее решения необходимо задать законы межфазного взаимодействия, теплообмена и трения

„ ¿иг ^ , (¡Яг , х

111 ¿X Щ)

Ст = тВ2,

(2.10)

Рт = Стр1 _

р -3 г о Вг(1Ь-и? ' с +015Ке°'Ш1 при Ке12 ^ 1000

С = 0,44 111)11 Яе'2 > 100°'

г 2 °'314 (2-Ю3 5Ке/^105)

Ж12 = 3а12§(Т>-Т2) , Нип = 2+0,459Ке^Рг?'33, О.-а^-Г») , ^ = 0,023Ке,°'8Рг,0,43 ' 5 = ,у<*>

При начальных условиях

и(о)-йо. Т,(о) = Г,о Р (о)=л.

= «2(0) - лг20. Т?2(0 ) = (2-11)

система уравнений (2.1)-(2.9) представляет собой задачу Коши, которая решается численно.

Система у (2.1)-(2.9) вместе с замыкающими соотношениями (2.10)

и начальными условиями (2.11) приводится к безразмерному виду и разрешается относительно производных. Из уравнения (2.7)

непосредственно находится а Е2(Р) определяет М\2 в уравнешш (2.8).

е1х

Почленно продифференцировав (2.2),(2.3) исключим производную и

йх

получим систему 3х уравнений относительно ;

¿х (1х ' йх

(или f^ ) следующего вида dx

. dui.Ä dui A ¿L—a< ЛпЖ Aidx ~Audx Dl

(2.12)

. dui , dm,. л dP dS

А»ж+А2гж+J)2

A dih . л dui j d£__ A, n

где коэффициенты Ak,,A'khDk {k,l =1,2,3) не содержат неизвестных производных.

При решении задачи Коши с начальными условиями в виде (2.11) вычисляется распределение неизвестных величин u,,Bj,Ti,P,R2,Mn ВА°ЛЬ трубы. Если задать закон изменения давления Р = Р(х) и в системе

(2.12) поменять местами величины л,,dP и л> то в этом случае

ki dx dx

определяются значения щ ,Bj,ThS,R2, М\г -Использование формул Крамера позволяет разрешить систему (2.12) относительно производных в явном виде и выполнить численное интегрирование.

На рис.1 приведены результаты расчетов основных величин и выполнено сопоставление профиля статического давления с опытными данными при истечении недогретой на входе жидкости в вакуум.

ааЛ

0,00 0.20 0.40 0.60 080 l.OO X

Рис.1. Изменение основных параметров при истечении недогретой на входе жидкости в вакуум (110=85°С, Л1 = 4°С, 00=1,85-10"3 м3/с, Ь=0,05 м, К„=0,0025 м, • -опытные данные [Накорчевсхий, Басок, Гаскевич, ТВТ, 1991, № 6]).

Расчеты показали, что транспортный эффект действия присоединенной массы становится заметным при ¿Г > 0,8 (рис.2) . Многочисленные

вычисления при переменных начальных условиях и геометрии канала, в том числе и с использованием задачи по определению профиля сопла при заданном законе изменения давления, позволяют сделать вывод, что наиболее существенным фактором проявления транспортного действия является начальный недогрев жидкости. Недогрев жидкости определяет положение точки вскипания потока в канале (вскипание недогретой жидкости происходит тем ниже по течению, чем больше величина недогрева), которая обуславливает меру развития неравновесных проявлений. Скорость движения паровых пузырей становится заметно больше окружающей их жидкости, что и приводит к проявлению транспортного эффекта действия присоединеной массы. Расхождение при расчете основных величин ддя случаев В3 — 0 и В3 * 0 составляет 15-20%.

Рнс.2. Изменение основных параметров вблизи выходного сечения при истечении насыщенной жидкости в вакуум ( сплошные линии - расчет без учета транспортного действия присоединенной массы (В3 = 0), штриховые - по предложенной модели).

Применяя условие запирания вскипающего потока _>_го к данной

¿х

модели получено следующее алгебраическое выражение, характеризующее наступление критического режима

—4 «21

-2 «21

-2

к

V Р21

л г „ /

V , —3 Вз\

> + «21 -2

р-й-ЗВд+В}

(2.13)

-В$-Вд+ _ д & _ - ВхБЛ_Вг)

1.Р21С2

С 2

+ «21

Л-ВдВг

гАгг + Вг

. _ - +([-В1Х-Вз~В1В2)=0 , 1Р21С2

где «21 = «2/"1 >Р21 = Р2/Р1 > ^2 = с2/и1 >с2 -локальная скорость звука в паровой фазе. При выводе уравнения (2.13) принималось, что

Мы'Ви С.еО^Вг (2Л4)

Если пренебречь транспортным действием присоединенной массы и положить ¿з=0 в исходной системе уравнений, то с учетом (2.14) получим уравнение следующего вида

В2~4 Вг-з ж

С 2 С 2

1 , &(?+&)

21 — -2 О 3 Р21С2 С 2

'21

Оценка слагаемых позволяет упростить четвертой степени (2.15) до квадратного

Р21С2 -О!

(2.15)

алгебраическое уравнение

1

Р21С2]

ъЬ+^Ип+Ц1-о

Р21С2 л

(2.16)

из . которого легко получить явное выражение для отношения скоростей фаз в критическом сечении ц^.

Главу 2 завершают выводы по результатам исследования, обобщенная форма которых содержится в пп.2,3 общих выводов.

Глава 3. ДИНАМИКА ПАРОВОГО ПУЗЫРЯ , ДВИЖУЩЕГОСЯ В ОБЪЕМЕ ХОЛОДНОЙ ЖИДКОСТИ

В главе 3 предлагается математическая модель задачи, вытекающей из практической реализации предложенного способа гомогенизации : сферический пузырь радиуса /?20> заполненный насыщенным паром температуры Тэд . двигаясь со скоростью «20 попадает в объем неподвижной жидкости с температурой ~ю(?1о < У20) ■ которая обеспечивает конденсационное схлопывание пузыря. Уровень жидкости равен 1г, давление над поверхностью жидкости р^, причем

(Р^ + Р1&Л) < что °бусловленно запиранием потока, которое как

правило имеет место в реальных условиях. При таких условиях пузырь оказывается под воздействием двух противоположно направленных факторов: отрицательной разности температур АТ = 7}о - Тэд. приводящей к конденсации пара внутри пузыря и смыканию его стенок, и отрицательной разности давлений ДР = />™ - Р20' стремящейся к

расширению межфазной границы.

Специфические начальные условия не позволяют использовать ранее созданные модели, рассмотренные в главе 1, и побуждают провести собственные исследования.

Основными допущениями модели являются : отвод теплоты с межфазной границы осуществляется совместным действием кондукции

и конвекции; пар внутри пузыря находится в состоянии насыщения; пар считается сжимаемой средой, подчиняющейся уравнению состояния

идеального газа; неравновесностыо процессов испарения пренебрегается, что позволяет рассматривать равновесную межфазную границу Tis = Ttz = распределение температуры в паре однородное; температура окружающей жидкости постоянна; пузырь на всем протяжении своего разрушения сохраняет сферическую форму.

В соответствии с принятыми допущениями математическая постановка рассматриваемой задачи имеет вид

dx

А.

dx 4

jnRlp2

i4 , ' jTiRiPiUi

- foRlJn

d_ dx

2

2 U2

yn/?2PiM2 -C/p,yn/?2 +

яЛгфгРг)?

D j> d2 Ri , 3

А

dK

dx

4—

Л,

dfo dx

+ 2

Cf 12

J?2

]'1г-ап(ГгТгУНп

äZl- Ll

dPi ~ Hu

s s iPl -p2.

(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Система уравнений (3.1)-(3.6) содержит 3 неизвестных независимых переменных : , ит> А^' нахождения которых при решешш задачи

Коши требуется задание следующих начальных условий

Яг^УЯто-, 0; Р2ф)=Р25СГ2о); «2ф>»20, (3?)

а также значений к- Величины , ?20> "20 соответствуют

параметрам вскипающего потока жидкости в критическом сечении и находятся при решении задачи, описанной в главе 2.

После разрешения системы уравнений (3.1)-(3.6) относительно производных выполняется численное интегрирование системы обыкновенных дифференциальных уравнений методом прогноза и коррекции Адамса.

В результате проведенных численных расчетов выявлено влияние следующих величин на динамику схлопывающегося парового пузыря : начальных значений температуры /од. скорости движения м2о и радиуса пузыря 7^20* Давления в вакуумной камере р™, температуры холодной жидкости . В зависимости от сочетания этих параметров распределение искомых функций может иметь как монотонный, так и нерегулярно - колебательный характер. На рис. 3-5 показано

влияние величия м2с ^20 на пРОДесс схлопывания пузыря.

Рнс.З. Влияние начальной температуры пузыря на изменение его радиуса при схлопывании. (1-12О=90°С, 2- 120=80 С, 3 - 1:20 = 700С, 4 - ^ =60°С; и2о=1 м/с, К20=5-10"3 м, кПа, 11Э = 20°С).

Неустойчивость в поведении пузыря обусловлена противоположной направленностью действия факторов ДТ <0 и ДР < 0 . Увеличение температуры и радиуса способствуют нарастанию проявлений неустойчивости (рис.3,5), увеличение скорости движения пузыря подавляет колебания (рис.4).

иоЛ

Рис.4. Влияние начальной скорости движения пузыря на изменение его радиуса при схлопывании. (1-и2о = 0,1 м/с, 2- и20=1 м/с, 3 - и20=5 м/с, 4 - иго =10 м/с ; ^=80°С , К20=5 Ю"3 м, />®=9кПа, 1,0=2О°С)

Изменение давления в вакуумной камере и температуры окружающей жидкости не оказывают решающего влияния на характер распределения основных параметров. Снижение давления в вакуумной камере и повышение температуры окружающей среды приводят к незначительному растягиванию процесса и увеличению времени схлопывания. В главе показано, что колебательные движения стенки

пузыря ведут к снижению динамического воздействия и ослаблению диспергирующего эффекта. Поэтому в ходе расчетов определена область оптимальных режимных параметров, обеспечивающая монотонный характер схлопывания и наибольший динамический эффект.

Рис.5.Влияние начального радиуса пузыря на изменение давления внутри него при схлопывании. (1-К20 = 5-1О м ,2- Я20= Ю'3 м, 3 - м; и0=90С, и20=1 м/с,

/>«=9 кПа, 110= 20°С)

На рис.6 показано сравнение результатов расчета по представленной модели с аппрохсимацией опытных данных Вургафта-Волошко, полученную при обработке результатов по схлопывашпо всплывающих пузырей. В главе дана также оценка интесивности динамического воздействия на жировую частицу, находящуюся в окрестности разрушающегося парового пузыря. Оттенка проводилась по величине

Рис.6. Сравнение результатов расчета радиуса схлопывающегося пузыря по предложенной модели (кривая 1) с аппроксимацией опытных данных [Волошко.Вургафт, ИФЖ, 1970, № 2] (кривая 2).

критического числа Вебера Шер и максимального диаметра частицы /)тах устойчивого при внешнем воздействии по модифицированной теории Колмогорова. Главу завершают еыводы по полученным результатам, которые кратко изложены в пп.4-7 общих выводов.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТА ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ПРИ СХЛОПЫВАНИИ ПАРОВЫХ ПУЗЫРЕЙ В ДВИЖУЩЕМСЯ ПАРОЖИДКОСТНОМ ПОТОКЕ.

В главе приведена схема и описание экспериментальной установки по изучению адиабатно вскипающих жидкостей ИТТф HAH Украины, использованной в данном исследовании. Установка (рис.7) состоит из следующих основных элементов: 1,2- емкости объемом по 65 л;

Г • О " Тм

Рис.7. Схема экспериментальной установки по изучению потоков адиабатно вскипающей жидкости.

3 - тройной вакуумный вентиль;4- прозрачная вставка в виде полимерной трубки, для визуального наблюдения; 5- водокольцевой вакуум-насос; 6-оптическая камера ;7 - вакуумная камера; 8 - напорный насос; 9- откачивающий насос; 10- ртутные термометры; 11 - подводящий канал; 12- приемная емкость объемом 100 л; 13-¿2 - термопары ТХК-68; 23 - 12 точечный потенциометр КСП-35; 24-28 - пробоотборники; 29 спектрофотометр СФ-4; 30- оптический микроскоп; 31- центрифуга; 32 -специально спрофилированные сменные сопла или каналы; 33-диспергирующий сосуд; 34- геплообменник-змеевик; 35- ротаметр РС-45; 36-система вентилей; 37-резиновые демпфирующие вставки; 38-стеклянный фланец; 39 - фотоаппарат Киев-88; 40 - кинокамера скоростная СКС-1М; 41 - кинокамера Красногорск-4; 42-отражающий полусферический экран; 43 - осветительная лампа; 44- конденсорная линза; 45- стеклянная мерная трубка; 46- обратный клапан; 47-манометр; 48-51 - вакууметры типа ВО (класс 0,4), ВТИ (класс 0,6), ОБВ (класс 2,5); 52- вакуумный вентиль; 53 - стеклянный пьезометр.

В главе 4 предложена конструкция диспергирующего сосуда, обеспечивающего схлопывание пузырей в адиабатно вскипающей струе, выполнен проверочный расчет теплообменника-змеевика.

Экспериментальные исследования проводились на коровьем молоке и водомасляных эмульсиях раствора концетрата смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Распределение жировых шариков по размерам определялось на микроскопе "Opton" (Германия), со вмещенном с автоматической системой анализа изображения "Ibas" на базе НИИ Нейрохирургии. Результаты определения степени дисперсности жировых частиц представлены в виде гистограмм на рис.8,9, где по горизонтальной оси отложен эквивалентный диаметр частиц (мкм), а по вертикальной -количество проанализированных частиц. Значения

(ИМШвЕКСГ 31.11

2М

И.»

Jli

CWITS ¡12 ИО.М t WERFU» 1 CUSSES ¡1 WL CUSSES

и» im < in «in i tu Ii Ii

IS i

»Elm ?5 * !5 i SOD'JL .!!!!

L SIS

!.IK

R!"i€ nijinuü li.i! 1ЧЦ 3.5(1

s:

3 911 1 dcuc1e

ttS.FIEmCT «.I

C9IIIT! 133

•ИЛИ g

ШПМ i

ILÜSSÜ !l

»-¡1 CIKSE!

23 ! 4

кике 4

rs ! 5

in i

,:sti

1!'!

S FJ-I.'O je t:c

«i.iIW

1 II.'

Ш1511П

4.1*3

" 1 Sil

ED

smc.E

I.ISI МИ 4 Iii CHI KU nie

Рис.8. Гистограмма исходной эмульсии

Рис.9 Гистограмма обработаной эмульсии

основных величин, полученных при измерении, приведены в табл. 1

Таблица 1.

¡5 j

III

До после

Параметр обра- обра-

ботки ботки

1. Средний диаметр частиц, мкм 3,6 1,9

2. Максимальный диаметр частиц, мкм 16,8 4,1

3. Доля частиц с диаметром < 2,5 мкм, % 50,9 89,6

При определении степени дисперсности при обработке коровьего молока применялся метод прямого измерения на оптическом микроскопе "Биолам" и счетная камера Горяева. Пенообразование, наблюдаемое в опытах ввиду низкого поверхностного натяжения коровьего молока, несколько ослабляло эффект диспергирования (рис.10). Данные, полученные при обработке результатов измерений методами математической статистики, приведены в таблице 2.

Рнс.10.. Кривые распределения по размерам жировых шариков коровьего молока : 1-исходное молоко, 2-4 -обработанное (2- до начала пенообразования, 3,4 - после начала пенообразования с интервалом 1,5 мин.)

Таблица 2

Параметр Номера кривых

1 2 3 4

1. Средний диаметр частиц, мкм 2. Доля частиц с диаметром < 2,5 мкм, % 2,50 44,2 0,93 99,1 1,43 92,4 1,542 90,6

Далее в главе приводится схемное решение, которое позволяет проводить гомогенизацию молока в линии его пастеризации без привлечения дополнительных затрат энэргии. Решение подтверждается расчетами. Предложена принципиальная схема промышленного гомогенизатора контактного типа, выполнен его тепловой расчет и определены основные размеры.

В конце главы формулируются выводы, обощение которых приведено в пп.8,9 общих выводов.

1. Предложен способ гомогенизации эмульсий (положительное решение по заявке № 4900237/26 от 08.01.1991 30.01.1992.), использующий для дробления частиц тепловую энергию, идущую на технологические нужды (пастеризацию молока), что позволяет практически исключить энергозатраты на гомогенизацию.

2. Разработана математическая, модель течения неравновесного адиабатно вскипающего потока жидкости, учитывающая транспортное действие присоединенной массы пузырей. Модель позволяет рассчитывать скорости, температуры, объемные концентрации фаз,

давление и межфазный тепломассоперенос вдоль канала и в критическом сечении. Достоверность результатов подтверждается сопоставлением расчетного профиля статического давления с экспериментальными данными различных авторов в области температур 60-130°С и давлений 0,3-2,75 МПа.

3. Вклад транспортной составляющей действия присоединенной массы увеличивается с ростом неравновесности потока, определяемой степенью начального недогрева жидкости. Различие в расчетах по представленной и предшествующим моделям составляет 10-15%. Учет транспортной составляющей в фундаментальной системе уравнений сохранения позволяет физически более корректно описывать межфазное взаимодействие в ускоряющихся двухфазных потоках.

4. Предложена математическая модель, описывающая динамику парового пузыря, движущегося в объеме холодной жидкости при условии ДТ < 0 и ДР < 0. Модель учитывает переменность скорости всплытия пузыря и конвективный характер отвода теплоты и позволяет вычислять радиус пузыря, скорость его роста и всплытия, давление и температуру внутри пузыря. Сопоставление численных расчетов с опытными данными по изменению радиуса при кондесации всплывающих паровых пузырей показало их приемлемое совпадение в определении времени конденсации , равном 4,2' 10"4 с.

5. В ходе численных расчетов установлено, что характер изменения основных параметров при разрушении пузыря может быть монотонным либо колебательным. Неустойчивость в поведении пузыря обусловлена противоположной направленностью действия факторов ДТ<0 и ДР < 0 . Амплитуда и частота колебаний зависят от сочетания трех начальных условий пузыря : скорости его движения, температуры и радиуса. Увеличение температуры и радиуса способствуют нарастанию проявлений неустойчивости, увеличение скорости движения подавляет колебания. Уменьшение давления в вакуумной камере и увеличение температуры окружающей жидкости приводят к незначительному росту времени схлопывания и не меняют характера разрушения пузыря.Время схлопывания находится в пределах10"4...Ю'3 с.

6. Определены границы монотонного схлопывания пузыря, создающие наиболее благоприятные условия для эффективного дробления жировых частиц :

50°С < /2о ^ 90°С; 10°С < /10 < 30°С;

<10 к Па \ ¡/2() >1м/с] Д20 ^ 0,001 м 7. Дана оценка интесивности динамического воздействия на жировую частицу, находящуюся в окрестности разрушающегося парового пузыря. Полученные значения критического числа Вебера Шер=3-103...3-104 и максимального диаметра частицы В!тх ~10"6 м, устойчивого при внешнем воздействии в потоке, показали, что уровни

динамического воздействия рассматриваемого способа гомогенизации и клапанных гомогенизаторов сопоставимы. Однако рекомендуемый нами способ не требует дополнительного подвода энергии.

8. Проведена экспериментальная проверка эффективности предложенного способа гомогенизации на моделирующих жидкостях и натуральном коровьем молоке. Установлено, что при обработке эмульсий с высоким поверхностным натяжением ( растворе концентрата смазочно-охлаждающей жидкости в воде) наблюдается явно выраженный эффект диспергирования : средний радиус жировых частиц снижается с 4-5 мкм до 2 и менее , доля частиц с диаметром менее 2,5 мкм возрастает с 50% до 90%. Образование пены, наблюдавшееся в опытах с неразбавленным коровьем молоком, связано с содержанием поверхностно-активных веществ и приводит к незначительному ослаблению эффекта дробления.

9. Показана возможность разработки промышленного гомогенизатора контактного типа (ГК), заменяющего I и II секции регенерации линии кратковременной пастеризации молока,и обеспечивающего гомогенизацию пастеризованного молока без добавочного ввода энергии. Габариты агрегата ГК для линии производительностью 10 т/час, установленные в результате конструктивного расчета, составляют: ширина 0,3 м; длина 1,0 м; высота 1,3 м.

1. Гулый С.И., Федоткин И.М. Кинетические закономерности движения и теплообмена парожидкостной смеси в аппаратах барботажного типа. // Химическое машиностроение : Респ. межв. науч.-техн. сб., вып.53. - Киев, Тэхника, 1991,- с. 17-24.

2. Накорчевский А.И., Гулый С.И. Уточнение условий наступления критических режимов при течении вскипающих жидкостей // Пром. теплотехника - 1993.- № 3-4.-с. 57-61.

3. Накорчевский А.И., Гулый С.И. Транспортное действие присоединенной массы в потоках вскипающей жидкости // Теплофизика Высоких Температур - 1993. - № 4. - с.596-599.

4. Гулый С.И. Особенности дробления жировых частиц в вакуумных диспергаторах // Изв. ВУЗов.Пшцевая Технология -1993. - № 3-4,- с.75-76.

5. Долинский A.A., Накорчевский А.И., Гулый С.И. Транспортный эффект действия присоединенной массы в потоках вскипающей жидкости // Доклады АН Украины. Матем.,естеств.,техн. науки - 1993.- № 6. - с.86-90.

6. Гулий C.I. Врахування впливу транспортно1 складово1 сили м1жфазжи взаемодп в потоках захипаючих р]дин // Тези допов!дей м1жнародно1 науково-техшчно1 конференцй "Розробка та впровадження нових технологий i обладнання у харчову та переробш галуза АПК ". Ктв, 19-21 жовтня 1993 р. - Ктв, КТ1ХП - 1993.- с.442-443.

7. Гулый С.И. Анализ процесса запирания двухфазного потока на основе модели неравновесного адиабатного вскипания// Принято к печати в ред. Изв. ВУЗов. Пищевая Технология в 1993 г.

8. Долинский АА.,Накорчевский А.И.,Басок Б.И.,Шурчкова ЮА.,Гаскевич И.В., Гулый С.И. Способ гомогенизации эмульсий. Положительное решение по заявке № 4900237/26 от 08.01.1991 30.01.1992.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

й - температуропроводность, м2/с; Ву - объемная концетрация ]-й фазы;

С,- - скорость звука в Ьй фазе, м/с ; ¿у- коэффициент сопротивления; Ст -коэффициент присоединенной массы; Ор -изобарная теплоемкость, кДж/кг-К ; с1 -диаметр канала, м; Б- диаметр частицы,м; ^-внутренняя энергия 1-й фазы, Дж/кЛ'/у -сила межфазного взаимодействия, обусловленная скоростной неравновесностью между фазами, отнесенная к единице объема смеси, кг/(м2 ■с)\Рт -сила межфазного взаимодействия, обусловленная эффектом присоединенных масс, отнесенная к единице объема смеси, кг/(м2 -с"); -сила трения Ьй фазы о стенку канала, отнесенная к единице поверхности смеси, кг/(м с2); -ускорение свободного падения, м/с2; к -линейный размер, м;//,- - энтальпия 1-й фазы, Дж/кг\JJij - теплота фазового перехода из 1-й фазы в ]-ю, Дж/кг; j^ -поверхностная плотность интесивности межфазнсго массопереноса кг/(м2с); к2т - коэффициент формы, учитывающий отклонение от сферичности парового пузыря; Л коэффициент полноты переноса импульса при фазовом переходе -объемная плотность интесивности

межфазного массопереноса х—, кг/(м3-с); п2 - объемная концетрация паровых зародышей, м'3; Р, др = _ - давление и разность давлений,

Па; С1<м- поверхностная плотность теплового потока от 1-й фазы к стенке, Вт/м2; - радиус парового пузыря, м; Б - площадь поверхности,

м2; , АТ = Т\ - Тз - температура и разность температур,К; - скорость движения Ьй фазы, м/с; |$гг. - объедая плотность теплового потока из 1-й

3 ^ 2

фазы в }-ю, Вт/м; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К); р -коэффициент динамической вязкости, Пас; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; р - плотность, хг/м3; с - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; т - время,с; о - частота следования пузырей, с1;. Е, - коэффщиент гидравлического сопротивления

Безразмерные числа

ое _ ("2 к . _ Р/2. число Рейнольдса; рг. = И -

Ш р,- Я/

число Прандтля; Ыи\2 = , Ии^ - - число Нуссельта;

X} А,,-

_ 2£кАР . 41^0 вебера.

Р

Индексы

i,j - номер фазы (i= 1,2; j= 1,2,3), i,j = 1 соответствует жидкой фазе, i,j — 2 -паровой, j = 3 - части жидкой фазы, движущейся в виде присоединенной массы паровых пузырей; к- капля молочного жира, s - параметры фазы в насыщенном состоянии; w - параметры на стенке канала; 0 - параметры начального состояния; оо - параметры на значительном удалении от рассматриваемого объекта.

.АННОТАЦИЯ

Гулый С.И. Тепломассоперенос и гидродинамика при адиабатном вскипании и конденсации в вакуумных диспергаторах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика. Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 1994.

Проводится комплексное теоретическое и экспериментальное исследование нового способа диспергирования эмульсий. Разработаны математическая модель неравновесного течения вскипающей жидкости в канале с учетом транспортного действия присоединенной массы и модель динамики движущегося парового пузыря в условиях ДР<0 и ЛТ<0. На основе проведенных численных расчетов определена область оптимальных параметров,обеспечивающих максимальную эффективность работы диспергирующего аппарата. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие эффективность предложенного способа. Предложена принципиальная схема гомогенизатора контактного типа и показана возможность его практического использования в линии пастеризации молока без привлечения дополнительных расходов энергии. КлючоЫ слова :

гетерогенш систем1, адиабатичне закипания, критичний режим течи, парова бульбашка, диспергування.

Guliy S. Heat and mass transfer and hydrodynamics in flashing flow and condensation in vacuum powder dispensers.

Thesis for a candidate's degree of technical sciences on specialty 01.04.14,-thermophysics and molecular physics. Institute Of Technical THermophysics Of The National Academy Of Sciences Of Ukraine.

Complex theoretical and experimental researches of the new way of dispersing of emulsions were carried out. The mathematical model of flashing nonequalibrium flow in a tube considering transport action of virtual mass and the model vapor bubble dynamics with translatory motion in condition ДР<0, ДТ<0 are developed. Considering the numerical calculations range of optimum parameters provide the greatest efficiency of the powder dispenser was obtained. Experimental investigations proved efficiency of the proposed way of dispersing was carried out. Principle scheme of the contact homogeniser was proposed and ability of its practical application in pasteurization line of milk plants without additional energy was shown.